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JPS5844237B2 - Nuclear reactor core fuel loading and operation method - Google Patents

Nuclear reactor core fuel loading and operation method

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Publication number
JPS5844237B2
JPS5844237B2 JP54134273A JP13427379A JPS5844237B2 JP S5844237 B2 JPS5844237 B2 JP S5844237B2 JP 54134273 A JP54134273 A JP 54134273A JP 13427379 A JP13427379 A JP 13427379A JP S5844237 B2 JPS5844237 B2 JP S5844237B2
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fuel
cells
cell
core
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JP54134273A
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クレイグ・デラニイ・ソイヤ−
ラツセル・リ−・クロウサ−
ベネツト・ジエイ・キトニツク
ケネス・ベルル・ウオルタ−ズ
ロバ−ト・エドワ−ド・ブラウン
ラリイ・エドガ−・フエネルン
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General Electric Co
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General Electric Co
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Publication date
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Publication of JPS5844237B2 publication Critical patent/JPS5844237B2/en
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    • G21C7/08Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section by displacement of solid control elements, e.g. control rods
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉内の燃料の設計および配置ならびにか
\る配置の原子炉を運転する方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to the design and arrangement of fuel within a nuclear reactor and a method of operating a nuclear reactor of such arrangement.

核燃料はウランおよび/またはプルトニウムを適当な形
態で含有する。
Nuclear fuel contains uranium and/or plutonium in suitable form.

例えば、水冷却兼減速動力用原子炉に普通用いられる燃
料は二酸化ウラン(UO2)よりなり、そのうち約0.
7〜4.0%は核分裂性U−235と燃料親U−238
との混合物である。
For example, the fuel commonly used in water-cooled and moderated power reactors consists of uranium dioxide (UO2), of which about 0.
7-4.0% fissile U-235 and fuel parent U-238
It is a mixture of

原子炉の運転中に燃料親U−238は核分裂性Pu−2
39およびPu−241に変換され、後者が原子炉出力
を維持するように働らく。
During the operation of the reactor, the fuel parent U-238 is converted into fissile Pu-2
39 and Pu-241, the latter serving to maintain reactor power.

U−238も核分裂性であるが、それは原子炉内の高エ
ネルギー中性子に対してのみである。
U-238 is also fissile, but only to high-energy neutrons in nuclear reactors.

周知の商業用沸騰水型動力炉、例えば米国イリノイ州シ
カゴ近郊のドレスデン原子力発電所に使用されている動
力炉では、核燃料は代表的には、例えば米国特許第3,
365,371号に示されているように、焼結ペレット
をジルコニウム合金のような適当な金属よりなる細長い
被覆管に充填して燃料要素または棒を形成した形態をと
っている。
In well-known commercial boiling water power reactors, such as those used at the Dresden Nuclear Power Plant near Chicago, Illinois, the nuclear fuel is typically
No. 365,371, sintered pellets are filled into elongated cladding tubes of a suitable metal such as a zirconium alloy to form fuel elements or rods.

端部プラグで密封された被覆管は核燃料を減速材兼冷却
材から分離するとともに、核分裂生成物の放出を防止す
る作用をなす。
The cladding sealed with end plugs serves to separate the nuclear fuel from the moderator/coolant and to prevent the release of fission products.

このような燃料要素は、例えば米国特許第3.689,
358号に示されているように、群毎に配置され、別々
に交換できる燃料集合体または束として上部および下部
タイプレート間に支持される。
Such fuel elements are described, for example, in U.S. Pat.
No. 358, the fuel is arranged in groups and supported between upper and lower tie plates as separately replaceable fuel assemblies or bundles.

十分な数の燃料集合体を角柱に近いマトリックス状に配
置1ルで、自己持続核分裂反応をする原子炉炉心を形成
する。
A sufficient number of fuel assemblies are arranged in a prismatic matrix to form a nuclear reactor core that undergoes a self-sustaining nuclear fission reaction.

この炉心を作動流体および中性子減速材として作用する
流体、例えば軽水中に沈める。
The core is submerged in a fluid, such as light water, that acts as a working fluid and a neutron moderator.

典型的な原子炉は、たいてい1年程度の長さの運転サイ
クルの間ずつと運転状態を維持するのに十分な以上の反
応度の燃料を定期的に再装荷する(運転サイクルの長さ
を「燃料サイクル間隔」と称する)。
A typical nuclear reactor is periodically reloaded with fuel of more than sufficient reactivity to maintain operation for an operating cycle that is often on the order of a year long. (referred to as the "fuel cycle interval").

ここで原子炉を停止し、代表的には約Hの燃料集合体を
交換する。
At this point, the reactor is shut down and typically about H fuel assemblies are replaced.

運転サイクルの開始時には反応度が過剰であるので、運
転中実効増倍率を1に維持するためには十分な強さの制
御システムが必要である。
Since the reactivity is excessive at the beginning of the operating cycle, a sufficiently strong control system is required to maintain the effective multiplication factor at unity during operation.

制御システムは慣例では中性子の核分裂を起こさない捕
獲または吸収により中性子数を制御する作用をなす中性
子吸収材を具える。
The control system conventionally includes a neutron absorbing material that acts to control the number of neutrons by non-fission-inducing capture or absorption of neutrons.

代表的な制御システムは、中性子吸収材を含有する複数
本の制御棒の形態の機械的制御部を有する。
A typical control system has a mechanical control in the form of a plurality of control rods containing neutron absorbing material.

制御棒を燃料集合体間の空間またはギャップに選択的に
挿入して、炉心の反応度、また従って運転出力レベルを
制御することができる。
Control rods can be selectively inserted into spaces or gaps between fuel assemblies to control the reactivity of the reactor core, and thus the operating power level.

例えば米国特許第3,020,888号に開示されてい
るような既知の配置では、制御棒ブレードは横断面が十
字形で、従って各制御棒のブレードの「羽根」(ウィン
グ)を隣接する4個の燃料集合体間の空間に挿入するこ
とができる。
In known arrangements, such as those disclosed in U.S. Pat. No. 3,020,888, the control rod blades are cruciform in cross-section, thus dividing the blade "wings" of each control rod into four adjacent can be inserted into the space between the individual fuel assemblies.

1本の制御棒を囲む4個の燃料集合体のクラスタを炉心
「セル」と称する。
A cluster of four fuel assemblies surrounding one control rod is called a core "cell."

(適当な中性子吸収材および制御ブレード駆動機構は前
記米国特許第3,020,888号に記載されている。
(Suitable neutron absorbers and control blade drive mechanisms are described in the aforementioned US Pat. No. 3,020,888.

)制御システムは、燃料の一部と配合されたガドリニウ
ムのような可燃性中性子吸収材も含む。
) The control system also includes a combustible neutron absorber, such as gadolinium, blended with a portion of the fuel.

天然に産出するGd−155およびGd−157同位体
は強い中性子吸収材で、中性子の吸収により一層低い制
御価値(中性子吸収能)の同位体に変換される。
The naturally occurring Gd-155 and Gd-157 isotopes are strong neutron absorbers, and absorption of neutrons converts them to isotopes of lower control value (neutron absorption capacity).

このように可燃性吸収材を用いることにより、機械的制
御の必要量が減少し、また可燃性吸収材の適切な配置に
より出力分布を改善することができる。
Using combustible absorbers in this manner reduces the need for mechanical controls and allows for improved power distribution through proper placement of the combustible absorbers.

大抵の場合、可燃性吸収材を燃料要素に核燃料の選択部
分との混合物として導入する。
In most cases, the combustible absorbent material is introduced into the fuel element as a mixture with a selected portion of the nuclear fuel.

可燃性吸収材の配置は、例えば米国特許第3.799,
839号に示されている。
The arrangement of combustible absorbent materials is described, for example, in U.S. Pat.
No. 839.

さらに、原子炉についての説明が、例えば「原子カニ学
(Nuclear POwer Engineerin
g ) JN、M、E 1−Waki l著、McGr
aw−Hill BookCom pany、 I n
c、刊、1962年に見られる。
Furthermore, explanations about nuclear reactors can be found in, for example, ``Nuclear Power Engineer.''
g) JN, M, E 1-Waki l, McGr.
aw-Hill BookCom pany, I n
Seen in C., published in 1962.

管状燃料要素クラツディングは普通0.8M(0,03
2インチ)程度の厚さのもので、原子炉炉心の環境内で
の高圧、高温、核放射線および化学的核分裂生成物攻撃
を含む比較的苛酷な使用条件にさらされる。
Tubular fuel element cladding is typically 0.8M (0,03
(2 inches) thick and are exposed to relatively harsh operating conditions, including high pressures, high temperatures, nuclear radiation, and chemical fission product attack within the environment of a nuclear reactor core.

挿入された制御棒を引抜くと隣接燃料要素の局所出力は
急に増加する。
When the inserted control rod is withdrawn, the local power of the adjacent fuel element increases suddenly.

このように燃料の局所線出力レベル(KW/ ft)が
急に大きく変わると、燃料ペレットとクラツディングと
の相互作用により大きな局部的応力および歪が生じる。
These sudden and large changes in the local linear power level (KW/ft) of the fuel result in large local stresses and strains due to the interaction of the fuel pellets with the cladding.

隣接ペレットの膨張する分離端縁(またはペレットの亀
裂の隣接側部)がクラツディングに食い込むように接触
すると、その結果生じる局部的歪がクラツディングの極
限歪を超え、クラツディングに亀裂を生じる。
When the expanding separation edges of adjacent pellets (or adjacent sides of pellet cracks) bite into the cladding, the resulting local strain exceeds the ultimate strain in the cladding, causing it to crack.

クラツディングに亀裂ができると、冷却材が燃料要素中
に進入し、核分裂生成物が燃料要素からこれを囲む冷却
材中に逃げ出してしまう。
Cracks in the cladding allow coolant to enter the fuel element and allow fission products to escape from the fuel element into the surrounding coolant.

この望ましくない現象は「ペレット−クラツディング相
互作用J (Pe1let −cla−dding 1
nteraction = P CI )として知られ
るようになってきた。
This undesirable phenomenon is explained by the “pellet-cladding interaction J (Pellet-cla-adding 1
interaction = PCI).

線出力の増大の大きさにか\わりなくそれ以下ではクラ
ツディングが欠損しないことの知られている燃料燃焼依
存しきい値が存在する。
Regardless of the magnitude of the increase in line power, there is a known fuel combustion dependent threshold below which cruding will not fail.

ペレット−クラツディング相互作用(PCI)問題を解
決する方法として、種々提案されているなかで、後の急
速な出力変化に耐えるように燃料を状態調整する方法が
用いられるようになった。
Among the various methods proposed to solve the pellet-crusting interaction (PCI) problem, a method has been used to condition the fuel so that it can withstand subsequent rapid power changes.

かNる方法は米国特許第4,057,466号に記載さ
れている。
This method is described in US Pat. No. 4,057,466.

簡潔に説明すると、この方法によれば、出力増加速度を
、例えば0. I K W、/f t−/hr以下に系
統的に調節制御して局部的PCI生成ペレットカを緩和
させる。
Briefly, according to this method, the rate of increase in output is set to, for example, 0. I K W, /f t-/hr or less is systematically controlled to alleviate the localized PCI generated pellet force.

PCIL@い値と所望の最高局所線出力レベルとの間で
の局部線出力の増加でクラツディング破損をもたらす臨
界速度以下に出力増加速度を制御する。
Control the rate of power increase below a critical rate that results in cladding failure at an increase in local line power between the low value of PCIL and the desired maximum local line power level.

このような状態調整後、最高調整レベル以下での比較的
迅速な出力変化を、クラツディング破損を生じることな
く行えることが確認されている。
After such conditioning, it has been determined that relatively rapid output changes below the maximum adjustment level can be made without cladding failure.

この方法の第1の欠点は、このような調整または再調整
に比較的長い時間が必要で、このため定格出力レベルで
の運転に使える時間が短くなることである。
A first disadvantage of this method is that such adjustment or readjustment requires a relatively long time, thereby reducing the time available for operation at the rated power level.

また、多くの実際の運転状況において、挿入制御棒付近
の燃料を完全に調整することは不可能である。
Also, in many practical operating situations, it is not possible to perfectly regulate the fuel near the inserted control rods.

原子炉の運転に付随する別の現象に所謂「制御棒履歴J
(control rod history )があ
る。
Another phenomenon that accompanies nuclear reactor operation is the so-called “control rod history”.
(control rod history).

制御棒ブレードの存在する効果は、隣接燃料における核
分裂性燃料燃焼またはバーンアップの速度を大幅に下げ
る一方、燃料親U−238の核分裂性Pu−239への
変換を著しく低いレベルに抑えることにある。
The effect of the presence of the control rod blades is to significantly reduce the rate of fissile fuel combustion or burn-up in the adjacent fuel, while limiting the conversion of the fuel parent U-238 to fissile Pu-239 to significantly lower levels. .

従って制御棒を引抜くと、その制御棒にもつとも近い「
曝露されたJ (uncovered)燃料(即ち燃料
集合体の角および制御棒隣接要素の燃料)の出力は制御
棒からもつと離れた燃料より大きく増加する。
Therefore, when a control rod is pulled out, the
The power of exposed J (uncovered) fuel (i.e., fuel in the corners of the fuel assembly and control rod adjacent elements) increases more greatly when it is away from the control rod than fuel away from the control rod.

この制御棒履歴効果は、制御棒に隣接する燃料集合体の
角の燃料要素の燃料において最大であり、制御棒が燃料
の隣りに留まる時間が長くなるにつれてこの効果は一層
顕著になる。
This control rod history effect is greatest in the fuel in the corner fuel elements of the fuel assembly adjacent to the control rod, and becomes more pronounced the longer the control rod remains next to the fuel.

制御棒履歴効果は制御棒に従動棒またはフォロワがない
設計の場合に最大である。
Control rod history effects are greatest for control rod driven rod or followerless designs.

沸騰水型原子炉によく生じる別の現象は「軸方向蒸気ボ
イド抑制J (axial steam void 5
uppr−ession)である。
Another phenomenon that often occurs in boiling water reactors is axial steam void suppression.
upper-ession).

この種の原子炉で冷却材が個々のチャネル内で沸騰する
と負の出力フィードバックの原因となる。
Boiling of the coolant in the individual channels in this type of reactor causes negative power feedback.

その理由は、燃料の局部反応度が蒸気ボイドの増加とと
もに減少するからである。
The reason is that the local reactivity of the fuel decreases with increasing steam voids.

制御棒をチャネルの底に部分的に挿入すると、この制御
棒が制御ブレードの近くの沸騰を抑制し、これに対応し
て制御ブレードより上の一層高反応度の領域での蒸気ボ
イドを減少させる。
By partially inserting the control rod into the bottom of the channel, the control rod suppresses boiling near the control blade and correspondingly reduces steam voids in areas of higher reactivity above the control blade. .

部分的に挿入された制御棒より上での沸騰の減少が原因
で、激しい出力ビーキングが生じ、出力ピークが制御棒
を完全に引抜いたときのチャネル内の出力の大きさを超
えることがある。
The reduction in boiling above a partially inserted control rod can result in severe power peaking, with the power peak exceeding the magnitude of the power in the channel when the control rod is fully withdrawn.

上述したタイプの動力炉の設計および運転の初期に、制
御棒挿入および引抜きプロセスおよびパターンが開発さ
れた。
Early in the design and operation of power reactors of the type described above, control rod insertion and withdrawal processes and patterns were developed.

基本的解決指針として、制御棒パターンを定期的に変更
および相互交換(スワツピング)することにより、燃料
燃焼、プルトニウム虫取および制御棒履歴効果を炉心の
燃料集合体間でできるだけ均等に分布させるように試み
ている。
The basic solution is to periodically change and swap control rod patterns to try to distribute fuel burn, plutonium worming, and control rod history effects as evenly as possible among the fuel assemblies in the core. ing.

上述したタイプの原子炉用の既知の制御棒操作手順によ
れば、制御棒を幾つかの交番パターンに配置1ル、これ
により1群の制御棒を操作時に別群の制御棒と交換する
ことができる。
According to known control rod operating procedures for reactors of the type described above, the control rods are arranged in several alternating patterns, whereby one group of control rods is exchanged for another group of control rods during operation. I can do it.

か\る制御棒のパターンは普通2,3または4つあり、
出力形状および燃焼反応度制御に応じてかSるパターン
の制御棒を択一的に原子炉炉心に挿入する。
There are usually two, three or four control rod patterns.
Control rods with a pattern of S or S are selectively inserted into the reactor core depending on the output shape and combustion reactivity control.

既知の制御棒操作手順によれば、炉心を所定の制御棒パ
ターンで1工ネルギー発生期間の間運転する。
According to known control rod operating procedures, the core is operated in a predetermined control rod pattern for one energy production period.

次いで出力を下げ、所定制御棒パターンを別のパターン
と交換する。
The power is then reduced and the predetermined control rod pattern is replaced with another pattern.

従って、1年の原子炉運転サイクルの間に5〜8回の制
御棒パターン変更を行うことになる。
Therefore, the control rod pattern will be changed 5 to 8 times during a one-year reactor operating cycle.

かXる制御棒パターンおよびパターン交換は米国特許第
3,385,758号に詳述されている。
Such control rod patterns and pattern exchanges are detailed in US Pat. No. 3,385,758.

既知の制御棒操作手順ではほとんどの燃料が約4年の炉
心内滞在期間の間に出力時の隣接制御棒移動を経験する
With known control rod operating procedures, most fuels experience adjacent control rod movement at power during their approximately four year stay in the core.

か\る制御棒運動は燃焼制御、制御棒パターン交換、負
荷追従、キセノン過渡制御、燃料調整などの結果である
Such control rod motion is the result of combustion control, control rod pattern exchange, load following, xenon transient control, fuel conditioning, etc.

これらの運転変数が原因で、燃料が経験する制御棒移動
の総数が望ましくない程に増加する。
These operating variables undesirably increase the total number of control rod movements that the fuel experiences.

さらに制御棒パターン交換により空間的出力分布キセノ
ン過渡が励起され、熱的、水力学的、安全および燃料調
整限度に基づく制御棒移動制約により原子炉運転が望ま
しくない話に複雑になり、オペレータの誤操作の可能性
が増す。
In addition, control rod pattern exchanges can excite spatial power distribution xenon transients, and control rod movement constraints based on thermal, hydraulic, safety, and fuel conditioning limits can undesirably complicate reactor operation and cause operator error. The possibility of

従って既知の操作手順には熱的および安全余裕を減少さ
せ、製造上の複雑さを増し、稼動率を下げ、燃料損傷の
恐れを増す傾向がある。
Known operating procedures therefore tend to reduce thermal and safety margins, increase manufacturing complexity, reduce availability, and increase the risk of fuel damage.

制御棒パターンを相互交換またはスワツピングする既知
のBWR運転方法に見られる問題を要約すると次の通り
である。
The problems encountered with known BWR operating methods of interchanging or swapping control rod patterns can be summarized as follows.

(1)パターン交換を行うためには原子炉出力を減少さ
せる一方、PCI制約に適合させなければならない。
(1) In order to perform pattern exchange, the reactor power must be reduced while complying with PCI constraints.

大抵の場合、交換後に原子炉を全出力に戻すのに5日程
の多くの日数を要し、従って原子炉稼動率が低下する。
In most cases, it takes as many as five days to bring the reactor back to full power after replacement, thus reducing reactor availability.

(2)パターン交換により原子炉設計および運転が複雑
になる。
(2) Pattern exchange complicates reactor design and operation.

出力が何か別の理由で下ったときに制御棒交換を行うの
が望ましいので、原子炉運転のプランを定めるのが難し
く、同じ原子炉でも1燃料サイクル間隔の運転がそれぞ
れ異なる。
Since it is desirable to replace the control rods when the output drops for some other reason, it is difficult to establish a reactor operation plan, and even the same reactor operates at different fuel cycle intervals.

(3)制御棒交換および関連する出力低下が原因で、空
間的および非空間的キセノン過渡が生じこれが原子炉運
転を複雑にし、またPCI限界に適合させるのが困難に
なる。
(3) Control rod replacement and associated power reductions result in spatial and non-spatial xenon transients that complicate reactor operation and make it difficult to meet PCI limits.

(4)原子炉オペレータ学習曲線が、複雑かつ相互作用
する三次元的変数および制約により長くなる。
(4) Reactor operator learning curves are lengthened due to complex and interacting three-dimensional variables and constraints.

このため、オペレータがPCIまたは他の制約を破るよ
うな誤操作をする可能性が増す。
This increases the possibility that an operator will make a mistake that violates PCI or other constraints.

(5)炉心の外周部に位置する燃料以外のすべての燃料
が、再装荷と次の再装荷との間の燃料サイクル間隔の間
の隣接制御棒移動に基づき、大きな線形出力増加を経験
する。
(5) All fuels except those located at the outer periphery of the core experience large linear power increases due to adjacent control rod movement during the fuel cycle interval between reloads.

通常炉心外周部は燃料が隣接制御棒移動を経験しないよ
うに燃料を配置できる唯一の区域である。
The core periphery is usually the only area where fuel can be placed so that it does not experience adjacent control rod movement.

(6)炉心の外周部に位置する制御棒以外のすべての制
御棒が、出力整形−燃焼反応度制御と原子炉停止との二
重機能を果さなければならない。
(6) All control rods other than the control rods located on the outer periphery of the reactor core must perform the dual functions of power shaping/combustion reactivity control and reactor shutdown.

従ってこれらの異なる機能に必要な特殊な設計特性を制
御棒および制御棒駆動機構の設計に内包させることは容
易でない。
Therefore, it is not easy to incorporate the special design characteristics required for these different functions into the design of control rods and control rod drive mechanisms.

(7)負荷追従または他の目的に自動出力分布空間形状
制御を適用することは、変数の数が多くこれらが複雑に
相互作用するので非常に複雑になる。
(7) Applying automatic power distribution spatial shape control for load following or other purposes is very complex due to the large number of variables and their complex interactions.

さらに、制御棒を高出力もしくは高反応度燃料の隣りに
または未減損可燃性吸収材含有撚料の隣りに配置するこ
とから次の欠点が認められている。
Additionally, the following disadvantages have been observed from placing control rods next to high power or high reactivity fuels or next to undepleted combustible absorbent-containing strands.

部分的に挿入された制御棒より上の低蒸気ボイド水はし
ばしばピーク局所原子炉出力をこれらの領域に達しさせ
る原因となる。
Low steam void water above partially inserted control rods often causes peak local reactor power to reach these regions.

核沸騰限界からの移行または離脱のような熱的限界も高
反応度燃料の隣りに部分的に挿入された制御棒により悪
影響を受ける。
Thermal limits, such as transitions or departures from the nucleate boiling limit, are also adversely affected by control rods partially inserted next to highly reactive fuel.

未減損可燃性吸収材含有撚料に隣接して挿入された制御
棒は、吸収材の燃焼をゆがめがちであり、望ましくない
可燃性吸収材空間過渡を起し、これにより原子炉のピー
ク局所出力が増加するか、または燃料を複雑な可燃性吸
収材形状に設計し製造する必要が生じる。
Control rods inserted adjacent to undepleted combustible absorber-containing strands tend to distort absorber combustion, causing undesirable combustible absorber space transients that reduce the peak local power of the reactor. or require the fuel to be designed and manufactured into complex combustible absorbent shapes.

本発明を達成するにあたっては、制御棒の機能を出力整
形−反応度制御機能と停止機能とに分け、低反応度の特
別な設計の燃料を制御セル内に維持して出力整形−反応
度制御用制御棒を出力時にこの制御セルに挿入する。
In achieving the present invention, the functions of the control rod are divided into a power shaping-reactivity control function and a shutdown function, and a specially designed fuel with low reactivity is maintained in the control cell to control the power shaping-reactivity control. Insert the control rod into this control cell during output.

初期炉心では、制御セルに相対的に低濃縮度を有する特
別設計の燃料集合体を装荷する。
In the initial core, the control cells are loaded with specially designed fuel assemblies with relatively low enrichment.

非制御セルには、相対的に高い初期濃縮度を有し、後続
の燃料サイクル間隔の間に制御セルに配置できる特別設
計の燃料集合体を装荷する。
The uncontrolled cells are loaded with specially designed fuel assemblies that have relatively high initial enrichment and can be placed in the controlled cells during subsequent fuel cycle intervals.

原子炉を運転開始し定格出力までもって行くにつれて、
非制御セルの制御棒をはゾ完全に引抜き、そしてそれ以
後運転サイクル中ずつと原子炉を制御セルの制御棒のみ
で制御する。
As the reactor is put into operation and brought up to its rated output,
The control rods of the non-controlled cells are completely withdrawn, and the reactor is then controlled only by the control rods of the control cells during each operating cycle.

従って制御セルの特別設計の低濃縮度燃料のみが運転サ
イクル中隣接制御棒移動を経験する。
Therefore, only the specially designed low enrichment fuel in the control cell experiences adjacent control rod movement during the operating cycle.

この解決手段により炉心運転を著しく簡単にし、制御棒
交換に伴う多数の問題を回避することができる。
This solution significantly simplifies core operation and avoids many problems associated with control rod replacement.

運転サイクルの終点で再装荷のために原子炉を停止し、
通常制御セルの燃料集合体を排出する(即ち原子炉から
取出す)か、または炉心の外周燃料集合体位置に移動す
る。
Shut down the reactor for reloading at the end of the operating cycle,
Typically, the control cell fuel assembly is evacuated (ie, removed from the reactor) or moved to a peripheral fuel assembly location in the core.

制御セル以外からの最低反応度の照射ずみ燃料集合体を
制御セルに挿入する。
The lowest reactivity irradiated fuel assembly from outside the control cell is inserted into the control cell.

新しい(即ち未照射の)燃料集合体を、定格出力時に挿
入すべき制御棒から遠去かった、制御セルの外側に(即
ち非制御セルに)挿入する。
A new (i.e., unirradiated) fuel assembly is inserted outside the control cell (i.e., into a non-control cell), away from the control rods that should be inserted at rated power.

燃料は炉心内にn炉心運転サイクルの間滞在する(代表
的にばnは4である)。
The fuel remains in the core for n core operating cycles (typically n is 4).

燃料集合体は代表的にはその炉心内滞在時間のうち(n
−1)サイクルの開弁制御セルに滞在しく但し、非制御
セル内である位置から別の位置に移動することができる
)、炉心内滞在時間の最終サイクルで制御セルに移動さ
れ、しかる後炉心から取出されるかまたは炉心外周部に
移動される。
A fuel assembly typically spends (n
-1) remain in the open control cell for a cycle (but can be moved from one position to another in a non-controlled cell), are moved to the control cell in the final cycle of the stay in the core, and then in the core or removed from the reactor core or moved to the core periphery.

場合によっては、未照射の特別設計の高信頼性燃料を第
1サイクル以外で制御セルに直接に挿入でき、この場合
燃料ばmサイクルだけ炉心に滞在する。
In some cases, unirradiated, specially designed high-reliability fuel can be inserted directly into the control cell at times other than the first cycle, in which case the fuel remains in the core for only m cycles.

但し、mは非制御セル燃料の滞在サイクルの数nと同じ
かまたは異なる。
However, m is the same as or different from the number n of residence cycles of uncontrolled cell fuel.

本発明に従って制御棒機能の分離および出力整形−反応
度制御用制御棒の隣りへの低反応度燃料のみの配置を実
現する炉心設計は「制御セル炉心」と称される。
A core design that achieves separation of control rod functions and placement of only low reactivity fuel next to control rods for power shaping and reactivity control in accordance with the present invention is referred to as a "control cell core."

非制御セルの停止制御ブレードは出力時に引抜かれ、従
って少ない燃焼、照射損傷および応力を受けるだけなの
で、制御ブレードの寿命は長い。
The life of the control blades is long because the stop control blades of the non-controlled cells are withdrawn at power-on and are therefore subject to less combustion, radiation damage and stress.

従ってこれらの制御ブレードに、特にその上方部分に高
価な制御物質を用いてコールド停止価値を最大にすると
ともに原子炉の燃料サイクル燃焼能力を改善するのが容
易である。
Therefore, it is easy to use expensive control materials in these control blades, especially in their upper portions, to maximize cold shutdown value and improve the reactor's fuel cycle combustion performance.

また、非制御セルの制御棒の駆動機構も比較的簡単かつ
安価なものとすることができる。
Furthermore, the drive mechanism for the control rods of the non-controlled cells can also be made relatively simple and inexpensive.

他方、制御セルに配置された制御棒は炉心の全制御棒の
約Kを占めるにすぎないので、制御セルの制御棒および
駆動機構をその出力整形および燃焼反応度制御という主
要用途から見て最適にするのが容易である。
On the other hand, since the control rods placed in the control cell account for only about K of the total control rods in the reactor core, the control rods and drive mechanism of the control cell are optimal from the viewpoint of their primary use of power shaping and combustion reactivity control. It is easy to do.

か5る最適化として、微細移動駆動機構およびダレイチ
ツプ(テーパ化制御価(iL)制御ブレードを設ける。
As an optimization, a fine movement drive mechanism and a dray tip (tapered control value (iL) control blade) are provided.

これら2つの特徴により、制御棒を移動する際の隣接燃
料の出力変化を一層ゆっくりにすることができ、有利で
ある。
These two features advantageously allow adjacent fuel to change power more slowly as the control rod moves.

微細移動駆動機構は高価で複雑であるが、制御セル位置
のみに用いるように限定でき、好都合である。
Although microtransfer drive mechanisms are expensive and complex, they can be advantageously limited to use only in control cell locations.

また、一層長い寿命および一層好適な中性子吸収スペク
トルを保証する別の制御ブレード物質を用いることも可
能になる。
It also becomes possible to use other control blade materials that ensure a longer lifetime and a more favorable neutron absorption spectrum.

例えば長寿命のハフニウム制御物質により出力整形ブレ
ードの出力擾乱を軽減しブレード寿命を伸ばすことがで
きる。
For example, a long-life hafnium control material can reduce the output disturbance of the output shaping blade and extend the blade life.

炉心から取出す以前の最終燃料サイクルまたは最後より
1回前の燃料サイクルで制御セルに挿入すべき燃料集合
体を適切に設計することにより、制御セル炉心の最大運
転能力を改善することができる。
By properly designing the fuel assemblies to be inserted into the control cell in the last or one last fuel cycle before removal from the core, the maximum operating capacity of the control cell core can be improved.

制御棒履歴効果およびこの制御棒履歴効果が生じる関連
燃料燃焼期間に備えて燃料集合体を最適に設計するのが
望ましい。
It is desirable to optimally design fuel assemblies for control rod history effects and the associated fuel burn periods during which these control rod history effects occur.

初期炉心については、制御セルに滞在するはずの燃料集
合体を上記目的に合わせて特別に設計する。
For the initial core, the fuel assemblies that are to reside in the control cells are specially designed for this purpose.

また、第1回再装荷時に制御セルに移動する予定の燃料
集合体の設計は、後続の再装荷時に制御セルに移動する
予定の燃料集合体の設計とは異なる。
Also, the design of the fuel assemblies that are scheduled to be moved to the control cell during the first reload is different from the design of the fuel assemblies that are scheduled to be moved to the control cell during subsequent reloads.

言い換えると、燃料集合体はその炉心内位置およびその
予想される炉心内滞在時間に応じて特別設計される。
In other words, the fuel assembly is custom designed according to its location in the core and its expected residence time in the core.

再装荷燃料集合体は、通常その炉心内滞在の第3または
第4サイクルまで制御セルに移動せず、かSる再装荷燃
料の可燃性吸収材設計は初期炉心燃料の場合とは異なる
Reload fuel assemblies typically do not move to the control cell until the third or fourth cycle of their stay in the core, and the combustible absorber design for such reload fuel is different than for the initial core fuel.

従って再装荷燃料集合体も制御機能の分離から最大の利
益を引出すように最適に設計することができる。
Reload fuel assemblies can therefore also be optimally designed to derive maximum benefit from the separation of control functions.

多数の適用例において、燃料の約半分だけがその炉心内
履歴のなかで制御セルに滞在するので、特別設計の燃料
集合体を制御セルに用いることができる。
In many applications, specially designed fuel assemblies can be used in the control cell because only about half of the fuel remains in the control cell during its in-core history.

か\る特別設計の燃料集合体を制御セルにその炉内滞在
の第1、第2、第3、第4または第5サイクルで導入す
ることができ、場合によっては2サイクル以上制御セル
に残しておくことができる。
A specially designed fuel assembly can be introduced into the control cell during the first, second, third, fourth or fifth cycle of its stay in the reactor, and in some cases may remain in the control cell for more than one cycle. You can keep it.

しかし、普通の最適例では燃料は炉心内滞在の最終サイ
クルまたは最後より1回前のサイクルのみ制御セルに滞
在する。
However, in a typical optimum, the fuel remains in the control cell only for the last cycle of its stay in the core, or one cycle before the last.

製造基準から、標準設計の燃料要素を用いて燃料集合体
を形成すること、そして異なる標準燃料要素タイプの数
を最小にすることが要求される。
Manufacturing standards require that standard design fuel elements be used to form fuel assemblies and that the number of different standard fuel element types be minimized.

従って、燃料集合体は設計、性能および安全要件を満た
す一方、できるだけ多くの標準燃料要素を共通に使用で
きるように設計する。
Therefore, fuel assemblies are designed to allow for the common use of as many standard fuel elements as possible while meeting design, performance and safety requirements.

制御セル炉心用の初期および組合せ再装荷燃料集合体設
計により、必要な燃料集合体の製造に用いる必要のある
標準燃料要素タイプの数の減少を含むこれら要件を容易
に達成することができる。
Initial and combined reload fuel assembly designs for control cell cores can easily achieve these requirements, including reducing the number of standard fuel element types that need to be used to manufacture the required fuel assemblies.

本発明に係わる制御セル炉心設計により、未減損の可燃
性吸収材含有燃料集合体を出力時に挿入される制御棒の
隣りに配置するのを避けることができ、この特徴に基づ
いて、可燃性吸収材含有撚料要素内の可燃性吸収材の異
なる軸方向領域の数を減らすことによって、燃料集合体
内の可燃性吸収材含有燃料要素の設計を簡単にすること
ができる。
The control cell core design of the present invention avoids placing undepleted combustible absorber-containing fuel assemblies next to the control rods inserted at power out; By reducing the number of different axial regions of combustible absorbent material within a strand-containing strand element, the design of the combustible absorbent-containing fuel element within a fuel assembly can be simplified.

特定の炉心必要条件および原子炉設計に応じて別の制御
セルパターンを用いることができる。
Other control cell patterns may be used depending on specific core requirements and reactor design.

主要基準は制御セルのパターンにより最大炉心対称性を
与えることと、原子炉運転開始の容易さ、出力形状およ
び最大過剰反応度の制御、および使用格子の負荷追従を
保証できる十分な制御セルが存在することである。
The main criteria are that the control cell pattern provides maximum core symmetry, and that there are enough control cells to ensure ease of reactor start-up, control of power profile and maximum excess reactivity, and load following of the grid used. It is to be.

制御セルの数および位置は、その変更により性能上のま
たは他の利点かある場合に、新しい燃料サイクル間隔の
開始時に変更することができる。
The number and location of control cells may be changed at the beginning of a new fuel cycle interval if there are performance or other benefits to the change.

制御機能の分離と特別な炉心設計とにより以下の基本的
基準を実現することができる。
Separation of control functions and special core design make it possible to achieve the following basic criteria:

(1)未減損可燃性吸収材含有撚料を有意出力時に制御
棒の隣りに配置しないこと。
(1) Twisted material containing undepleted combustible absorbent material should not be placed next to control rods during significant output.

(2)高反応度燃料を定常状態定格出力時に制御棒の隣
りに配置しないこと。
(2) Highly reactive fuel should not be placed next to control rods during steady state rated output.

(3)制御棒パターン変更および制御棒移動を1燃料サ
イクル間隔内で最小限にすること。
(3) Minimize control rod pattern changes and control rod movements within one fuel cycle interval.

(4)隣接制御棒移動に基づく大きなδ出力変化を経験
する燃料を制御棒引抜き時に比較的低い出力に維持する
こと。
(4) Maintaining fuel that experiences large δ power changes due to adjacent control rod movement at a relatively low power during control rod withdrawal.

(5)制御棒でコールド停止反応度を最高反応度の局部
領域で最大にするとともに、制御棒燃焼のコールド停止
制御への影響を最小限にすること。
(5) Maximize the cold shutdown reactivity of the control rods in the local region of highest reactivity, and minimize the influence of control rod combustion on the cold shutdown control.

(6)定格出力で出力整形に用いられる制御棒による局
部および全体的出力の優乱を最小にするとともに、制御
ブレード寿命を出力時に顕著な中性子照射が何度も重な
る制御ブレードに関しては最大にすること。
(6) Minimize local and global power disturbances due to control rods used for power shaping at rated power, and maximize control blade life for control blades that experience repeated significant neutron irradiation during power output. thing.

これらの原理を制御セル炉心設計に適用する結果として
、大きな熱的余裕、プラント稼動率の上昇、オペレータ
誤操作可能性の減少および安全性の向上、燃料信頼性の
向上、燃料サイクル経済上の向上、簡単な燃料製造およ
び負荷追従速度および範囲の向上といった利点が得られ
る。
Applying these principles to control cell core design results in greater thermal margins, increased plant availability, reduced potential for operator error and improved safety, increased fuel reliability, improved fuel cycle economics, Benefits include simple fuel production and increased load following speed and range.

さらに、制御棒パターン変数の数の減少により設計が簡
単になり、全自動直接出力整形制御を適用する可能性が
増加する。
Furthermore, the reduction in the number of control rod pattern variables simplifies the design and increases the possibility of applying fully automatic direct output shaping control.

次に図面を参照しながら本発明を詳述する。Next, the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

本発明を沸騰水型の水冷減速原子炉に適用するものとし
て説明するが、本発明はこれのみに限定されるものでは
ない。
Although the present invention will be described as being applied to a boiling water type water-cooled moderation nuclear reactor, the present invention is not limited to this.

沸騰水型原子炉の1例を第1図の略図に示す。An example of a boiling water reactor is shown schematically in FIG.

この原子炉は圧力容器10を具え、圧力容器は、軽水の
ような冷却材兼減速材中に沈められた炉心11を有する
The reactor comprises a pressure vessel 10 having a core 11 submerged in a coolant and moderator, such as light water.

炉心11は環状シュラウド12により包囲され、上部炉
心グリッド14と下部炉心プレート16との間に、互に
間隔をあけて配列された多数の変換可能な燃料集合体1
3を含む。
The core 11 is surrounded by an annular shroud 12 and has a number of convertible fuel assemblies 1 spaced apart between an upper core grid 14 and a lower core plate 16.
Contains 3.

複数個の制御棒駆動機構収納管17内に収容された制御
棒駆動機構によって、炉心の反応度を制御する目的で、
複数個の制御棒18を燃料集合体13間に選択的に挿入
することができる。
For the purpose of controlling the reactivity of the reactor core by the control rod drive mechanisms housed in the plurality of control rod drive mechanism housing tubes 17,
A plurality of control rods 18 can be selectively inserted between fuel assemblies 13.

各収納管17には燃料集合体支持部材19が装着され、
各支持部材19には4個の隣接燃料集合体のノーズ部材
21を受入れるソケットが形成されている。
A fuel assembly support member 19 is attached to each storage pipe 17,
Each support member 19 is formed with a socket for receiving the nose members 21 of four adjacent fuel assemblies.

ノーズ部材21および支持部材19には、冷却材供給室
22と連通ずる冷却材通路または開口が形成されている
A coolant passage or opening communicating with the coolant supply chamber 22 is formed in the nose member 21 and the support member 19 .

冷却材循環用ポンプ23により供給室22中の冷却材を
加圧し、かくして冷却材を供給室22から支持部材19
および燃料集合体ノーズ部材21の開口を経て燃料集合
体13内に上向きに強制送給する。
The coolant circulation pump 23 pressurizes the coolant in the supply chamber 22, thus transferring the coolant from the supply chamber 22 to the support member 19.
The fuel is forcibly fed upward into the fuel assembly 13 through the opening of the fuel assembly nose member 21.

これにより冷却材の一部は水蒸気に転換され、水蒸気は
、気水分離器−蒸気乾燥器24を通過してタービン26
のような蒸気使用装置に達する。
As a result, a part of the coolant is converted into steam, and the steam passes through the steam separator-steam dryer 24 to the turbine 26.
reach steam-using equipment such as.

復水器27で形成された凝縮水をポンプ28により給水
として容器10に戻す。
The condensed water formed in the condenser 27 is returned to the container 10 as water supply by the pump 28.

1本の制御棒18とこれを囲む4つの燃料集合体が炉心
の1つの燃料セルを横取する。
One control rod 18 and four fuel assemblies surrounding it occupy one fuel cell in the core.

このようなセル29の代表例を第2図の平面図に示す。A typical example of such a cell 29 is shown in the plan view of FIG.

制御棒18を囲む4つの燃料集合体13(1)〜13(
4)は、その上端で、ビーム30と32を交差連結する
ことにより形成された上部炉心支持格子により、横方向
に支持されている。
Four fuel assemblies 13(1) to 13(
4) is laterally supported at its upper end by an upper core support grid formed by cross-connecting beams 30 and 32.

交換可能な燃料集合体13それぞれは、複数個の細長い
燃料要素34を、上部および下部タイプレート(図示せ
ず)間で相互に間隔をあけて支持するとともに、管状の
流れチャネル36で囲んで形成される。
Each replaceable fuel assembly 13 is formed of a plurality of elongated fuel elements 34 supported spaced apart from each other between upper and lower tie plates (not shown) and surrounded by a tubular flow channel 36. be done.

チャネル36は冷却材を燃料要素の間で上方に導ひく作
用をなす。
Channels 36 serve to channel coolant upwardly between the fuel elements.

このような燃料集合体のさらに詳しい図解は、前述した
米国特許第3.689,358号に見られる。
A more detailed illustration of such a fuel assembly can be found in the aforementioned US Pat. No. 3,689,358.

上述したタイプの原子炉では、炉心の一部をなすある部
分量(バッチ)の燃料を定期的に再装荷する。
In nuclear reactors of the type described above, a batch of fuel that forms part of the reactor core is periodically reloaded.

代表的な例では、原子炉を燃料濃縮度、再装荷バッチの
寸法および使用格子の条件に応じて再装荷から次の再装
荷まで12〜18ケ月間作動させる。
Typically, a nuclear reactor is operated for 12 to 18 months between reloads, depending on fuel enrichment, reload batch size, and grid conditions used.

この再装荷と次の再装荷との間の運転間隔を「再装荷サ
イクルJ (refueling cycle )と称
する。
The operating interval between this reloading and the next reloading is referred to as a "refueling cycle J."

本発明によれば、炉心の燃料セルを制御セルおよび非制
御セルのパターンに配列し、制御セルを互に少くとも1
個の非制御セルにより分離する。
According to the invention, the fuel cells of the reactor core are arranged in a pattern of controlled cells and uncontrolled cells, and the controlled cells are arranged at least once each other.
separated by 1 uncontrolled cells.

かSるパターンとして使用できる2つの例を、第3Aお
よび3B図の炉心の対称な4象限のうちの1象限の平面
図によって説明する。
Two examples that can be used as S patterns are illustrated by the plan views of one of the four symmetrical quadrants of the core in FIGS. 3A and 3B.

制御セルの燃料集合体38をrCJで示し、非制御セル
の燃料集合体40をrNJで示す(CおよびNばC0n
trO1およびnon −controlの頭文字)。
The fuel assembly 38 of the control cell is designated rCJ, and the fuel assembly 40 of the non-control cell is designated rNJ (C and N are C0n
trO1 and non-control).

これらのパターンは、両者とも炉心の中心に関して制御
セルの異なるパターンと%炉心対称である。
Both of these patterns are % core symmetric with different patterns of control cells about the center of the core.

(炉心の対称性は望ましいものではあるが、ここで説明
する制御セル炉心配列の必須条件ではない。
(While core symmetry is desirable, it is not a necessary condition for the control cell core arrangement described here.

)再装荷サイクルと次の再装荷サイクルとの間で、制御
セルの数を増減したりパターンを別のパターンに変えた
りすることができる。
) The number of control cells can be increased or decreased or the pattern can be changed to another between reload cycles.

例えば、第3A図のパターンを1回の代表的1年間再装
荷サイクルの間使用し、その次の1年間再装荷サイクル
の間、第3B図の位置に配置転換された制御セルを使用
することができる。
For example, using the pattern of Figure 3A for one representative one-year reload cycle and using the relocated control cell in the position of Figure 3B during the next one-year reload cycle. I can do it.

炉心の外周は、例えば高い熱中性子束勾配により特徴付
けられる特殊領域とみなすことができる。
The outer periphery of the core can be considered as a special region characterized by a high thermal neutron flux gradient, for example.

この領域に使用するのに好適な燃料集合体を同定し易く
するために、外周燃料集合体を「P」で示し、これに隣
接する燃料集合体を原則としてrIJで示す。
To facilitate the identification of fuel assemblies suitable for use in this region, the peripheral fuel assemblies are designated by "P" and the adjacent fuel assemblies are generally designated by rIJ.

図示の便宜上、炉心の1象限のみを示しであるが、炉心
が対称であるとすれば、炉心配列全体を示すのに1象限
を図示寸れば十分である。
For convenience of illustration, only one quadrant of the core is shown; however, if the core is symmetrical, one quadrant is sufficient to show the entire core arrangement.

さらに、本発明によれば、制御セル(以下Cセル)38
には相対的に低い反応度の燃料を装荷し、非制御セル(
以下Nセル)40には相対的に高い反応度の燃料を装荷
する。
Furthermore, according to the present invention, the control cell (hereinafter referred to as C cell) 38
is loaded with relatively low reactivity fuel, and the uncontrolled cell (
The fuel having a relatively high reactivity is loaded into the N cell 40.

例えば、特定ケースの必要条件に応じて、Cセルは、運
転サイクルの開始時に、約0.711〜1.2W10(
核分裂性物質重量パーセント)の新燃料濃縮度(初期炉
心の場合代表値は0.924W10 )に等価な反応度
を有し、Nセルは、約1.6〜2.7W10または2,
15W10程度の平均値の新燃料濃縮度に等価な反応度
を有する。
For example, depending on the requirements of a particular case, the C cell may be approximately 0.711 to 1.2 W10 (
The N cell has a reactivity equivalent to the new fuel enrichment (typically 0.924 W10 for the initial core) (% by weight of fissile material);
It has a reactivity equivalent to an average fresh fuel enrichment of about 15W10.

Nセル中の核分裂性物質対Cセル中の核分裂性物質の比
は、通常、設計、運転および燃料サイクル条件に従って
最大にする。
The ratio of fissile material in the N cell to fissile material in the C cell is typically maximized according to design, operating, and fuel cycle conditions.

さらに、外周燃料集合体Pには、例えば天然ウランの新
燃料濃縮度(0,711W10 )に等価な低い反応度
の燃料を装荷し、隣接中間燃料集合体■には、例えば約
3W10の新燃料濃縮度に等価な高い反応度の燃料を装
荷する。
Furthermore, the outer peripheral fuel assembly P is loaded with fuel with a low reactivity equivalent to the fresh fuel enrichment of natural uranium (0,711W10), and the adjacent intermediate fuel assembly Load fuel with high reactivity equivalent to enrichment.

このように低反応度外周燃料と高反応度隣接中間燃料と
の組合せを用いることにより、炉心からの中性子もれを
最小にする一方、炉心の半径方向出力分布を平坦化し、
熱的性能限度に関する余裕(margin)を改善する
By using a combination of low-reactivity peripheral fuel and high-reactivity adjacent intermediate fuel in this way, neutron leakage from the core can be minimized, while the radial power distribution of the core can be flattened.
Improve margins on thermal performance limits.

本発明によれば、このように燃料を配列した状態で、原
子炉を停止状態から運転状態にするために、Nセルの制
御棒を外周部分のものから順次炉心から引抜き、それ以
後運転サイクルの間ずつとCセルの制御棒のみを用いて
出力レベルおよび分布を制御する。
According to the present invention, in order to bring the reactor from a stopped state to an operating state with the fuel arranged in this manner, the control rods of the N cells are sequentially pulled out from the reactor core starting from the outer peripheral part, and then the operation cycle is started. Control the power level and distribution using only the control rods of the C-cells and C-cells.

Cセルの制御棒の操作計画は色々な要素の中でも特に隣
接Nセル中の燃料の反応度分布に依存する。
The control rod maneuver schedule of a C cell depends on, among other factors, the reactivity distribution of the fuel in the adjacent N cells.

(運転サイクル中のCセルの制御棒の操作計画例は後で
示す。
(An example of a control rod operation plan for the C cell during the operation cycle will be shown later.)

)原子炉運転の一般的計画は、Proceedings
of IAEA Panel 。
) The general plan for reactor operation is
of IAEA Panel.

Vienna 1967 Internation
al AtomicEnergy Agency (1
968)中のR,L、Crowtherの論文” Bu
rnup Analysis of Large Bo
i lingWater Reactors”(大形沸
騰水型原子炉の燃焼分析)に記載されている。
Vienna 1967 International
al Atomic Energy Agency (1
968) R.L.Crowther's paper in “Bu
rnup Analysis of Large Bo
i ling Water Reactors” (Combustion Analysis of Large Boiling Water Reactors).

この論文に記載された一定の燃焼出力サイクル初期−末
期状態は「ヘーリング分布J (Haling dis
tribution)と称される。
The constant combustion power cycle initial to final states described in this paper are based on the “Haling distribution J”.
tribution).

原子炉炉心が十分な回数の均一反復運転サイクル運転さ
れると、炉心は交換燃料集合体の数および濃縮度ならび
にその炉心内分布に関して「平衡」に達する。
When a nuclear reactor core has been operated for a sufficient number of uniform repetitive operating cycles, the core reaches "equilibrium" with respect to the number and enrichment of replacement fuel assemblies and their distribution within the core.

従ってこのような炉心は平衡炉心と称され、その運転サ
イクルは平衡サイクルと称される。
Such a core is therefore called an equilibrium core, and its operating cycle is called an equilibrium cycle.

代表的な例では、平衡炉心を全燃料集合体の4分の1程
度の交換によりは71年毎に再装荷する。
Typically, an equilibrium core is reloaded every 71 years by replacing about a quarter of the total fuel assemblies.

従って平衡炉心では燃料集合体は、26,000MWD
/ST(メガワット・日/標準トン)程度の代表的出力
照射の場合、炉心内に約4年間滞在する。
Therefore, in an equilibrium core, the fuel assembly is 26,000 MWD
In the case of a typical irradiation output of about /ST (megawatt-day/standard ton), the irradiation stays in the core for about four years.

平衡炉心において、本発明によれば、Nセルの最大燃焼
即ち最小反応度の燃料集合体をか\る集合体の炉心内滞
在の最終サイクルの間Cセルに使用する。
In an equilibrium core, in accordance with the present invention, the most burning or least reactive fuel assembly of the N cell is used in the C cell during the final cycle of that assembly's stay in the core.

この例では、Nセル燃料はその最終サイクルの間Cセル
内に配置できるように、そして最大熱余裕および燃料信
頼性を呈するように特別に設計されている。
In this example, the N-cell fuel is specifically designed to be placed in the C-cell during its final cycle and to exhibit maximum thermal margin and fuel reliability.

本発明の他の実施例では、特別な燃料集合体をCセル内
に新燃料として、もしくは幾つかのNセルに1〜3再装
荷サイクルの間滞在させた後に装荷する。
In other embodiments of the invention, special fuel assemblies are loaded into C cells as fresh fuel or after residence in some N cells for one to three reload cycles.

実用運転において、原子炉が真の「平衡」に達するのは
ごく稀である。
In practical operation, nuclear reactors rarely reach true "equilibrium."

従って実用原子炉炉心設計では、原子炉運転状態の実際
の変動に適合するように反応度、再装荷バッチ寸法、制
御棒パターンおよび原子炉運転モードを調節できること
が必要である。
Therefore, practical nuclear reactor core design requires the ability to adjust reactivity, reload batch size, control rod pattern, and reactor operating mode to accommodate actual variations in reactor operating conditions.

本発明によれば、この目的を達成するために、制御セル
および非制御セルの反復配列を炉心の中心部分に、低反
応度セルを外周領域に維持して、炉心からの中性子のも
れを最小にし、かつ中心領域と外周領域との間の中間領
域は、燃料集合体の数および体積を変えることができる
ようにする。
According to the present invention, to achieve this objective, repeating arrays of controlled and uncontrolled cells are maintained in the central portion of the core and low reactivity cells are maintained in the peripheral region to prevent neutron leakage from the core. The intermediate region between the central region and the peripheral region is minimized and allows the number and volume of fuel assemblies to vary.

従って、Cセルの数はある再装荷サイクルから次の再装
荷サイクルで変えることができる。
Therefore, the number of C cells can change from one reload cycle to the next.

2種以上の燃料集合体を再装荷できることにより融通性
がさらに増す。
The ability to reload more than one fuel assembly provides further flexibility.

再装荷中に挿入する燃料集合体はタイプ、平均濃縮度、
可燃性吸収材含量および他の設計特性を変えることがで
き、先の再装荷サイクルから取出された燃料をもって構
成することもできる。
The fuel assemblies inserted during reloading are of type, average enrichment,
The combustible absorbent content and other design characteristics can be varied and can be constructed with fuel removed from previous reload cycles.

しかし、稼動状態に入ったばかりの新しい原子炉におい
ては、普通炉心の燃料のすべてが新しい。
However, in a new reactor that has just entered operation, all of the fuel in the core is usually new.

このような初期炉心に用いる燃料集合体は平衡炉心を事
実上まねるように設計配置され、これにより初期炉心か
ら平衡炉心への移動を容易にする。
The fuel assemblies used in such initial cores are designed and arranged to effectively mimic an equilibrium core, thereby facilitating movement from the initial core to an equilibrium core.

本発明の初期および移行サイクル運転への適用を以下に
説明する。
The application of the invention to initial and transition cycle operation is described below.

第4A〜4G図は初期炉心に用いる炉心配置例およびこ
れに用いる燃料集合体例を示す。
Figures 4A to 4G show examples of core arrangement used in the initial core and examples of fuel assemblies used therein.

第4A図に示す初期炉心配列には、第4B〜4F図に示
す異なる燃料集合体タイプGi、Na。
The initial core arrangement shown in FIG. 4A includes different fuel assembly types Gi, Na, shown in FIGS. 4B-4F.

Nb 、 I iおよびPiを用いる。Using Nb, Ii and Pi.

第4B〜4F図において、Wで示される燃料要素位置は
、水減速材が流通する下部および上部開口を有する非燃
料装填管で占められている(例えば米国特許第3.80
2,995号に説明されている)。
In Figures 4B-4F, the fuel element position designated W is occupied by a non-fuel loading tube having lower and upper openings through which water moderator flows (e.g., U.S. Pat. No. 3.80
No. 2,995).

第4C。4Dおよび4E図において、BAで示される燃
料要素は、その燃料物質の部分に可燃性吸収材、例えば
ガドリニウムが混合されている。
4th C. In Figures 4D and 4E, the fuel element designated BA has a portion of its fuel material mixed with a combustible absorbent material, such as gadolinium.

か\る可燃性吸収材の軸方向分布例を第4G図に示す。An example of the axial distribution of such a combustible absorbent material is shown in Fig. 4G.

このような簡単な可燃性吸収材配置は、本発明に係わる
制御セル炉心およびその運転に適当である。
Such a simple combustible absorber arrangement is suitable for the control cell core and its operation in accordance with the present invention.

その理由は、このような配置では出力時に有意の未燃焼
の可燃性吸収材を含有する燃料集合体付近に制御棒を挿
入しないからである。
This is because such an arrangement does not insert control rods near fuel assemblies containing significant unburned combustible absorbent material at power output.

かくして、制御棒に起因する出力分布擾乱および制御棒
の可燃性吸収材燃焼との相互作用が回避される。
Power distribution disturbances caused by the control rods and their interaction with combustible absorbent combustion are thus avoided.

また第4Cおよび4D図に示すように特定の燃料要素は
特定の炉心の必要条件に応じてまた炉心内の燃料集合体
の位置に応じて可燃性吸収材を含有してもしなくてもよ
い。
Also, as shown in FIGS. 4C and 4D, particular fuel elements may or may not contain combustible absorbent material depending on the requirements of the particular core and the location of the fuel assembly within the core.

燃料集合体Ci、Na、Nb、IiおよびPiは、第4
A図の配列に、設計上の安全制約を満たす一方、初期運
転サイクル全体にわたって炉心の全出力能力を最大にす
るような態様で、並べられている。
The fuel assemblies Ci, Na, Nb, Ii and Pi are the fourth
The arrangement in Figure A is arranged in a manner that maximizes the total power capability of the core throughout the initial operating cycle while meeting design safety constraints.

炉心容積の約%を占める外周領域には低濃縮度の集合体
Pi (第4F図)を装填して炉心からの中性子のもれ
を最小にする。
The outer peripheral region, which occupies about % of the core volume, is loaded with a low enrichment aggregate Pi (Fig. 4F) to minimize the leakage of neutrons from the core.

高濃縮度の燃料集合体Ii (第4E図)を外周集合体
の隣りに配置して炉心半径方向出力分布を平坦にし、熱
的性能を改善する。
A highly enriched fuel assembly Ii (Figure 4E) is placed next to the outer assembly to flatten the core radial power distribution and improve thermal performance.

燃料集合体Ci (第4B図)は、初期運転サイクル全
体にわたってCセルに用いるように設計されている。
Fuel assembly Ci (Figure 4B) is designed for use in the C cell throughout the initial operating cycle.

低い平均濃縮度に加えて、この燃料集合体の燃料要素の
濃縮度分布は、最低濃縮度の燃料要素を隣接制御棒にも
つとも近い燃料要素位置に配置するように設計されてい
る。
In addition to the low average enrichment, the enrichment distribution of the fuel elements in this fuel assembly is designed to place the lowest enrichment fuel elements in the closest fuel element locations to adjacent control rods.

燃料要素の分布は、制御棒を燃料に隣接するよう挿入し
た状態で長期の出力運転に適合するように最適化されて
いる。
The fuel element distribution is optimized for long-term power operation with control rods inserted adjacent to the fuel.

この配置により、燃料集合体が挿入された制御棒ブレー
ドに隣接する状態からその後制御棒引抜きに致る必要な
長期間に順応でき、かつ先の制御棒挿入の履歴に基づく
関連した局部的出力ビーキングを補償することができる
This arrangement allows the fuel assembly to accommodate the required long periods of time from being adjacent to an inserted control rod blade to subsequent control rod withdrawal, and to provide associated local power peaking based on the history of previous control rod insertions. can be compensated.

(なお、燃料集合体Ciは、炉心の外周位置で燃料集合
体Piの代替品として用いることもできる。
(Furthermore, the fuel assembly Ci can also be used as a substitute for the fuel assembly Pi at the outer periphery of the core.

)燃料集合体Na、NbおよびIiば、初期にNセルに
滞在させ、十分な照射を重ねた後、最終的にCセルに使
用するように設計されている。
) The fuel assemblies Na, Nb and Ii are designed to initially stay in the N cell and, after sufficient irradiation, to be finally used in the C cell.

例えば、燃料集合体Naは第2サイクルでCセルに、燃
料集合体Nbは第3サイクルでCセルに、燃料集合体■
1は第4サイクルでCセルに移動することができる。
For example, fuel assembly Na becomes C cell in the second cycle, fuel assembly Nb becomes C cell in the third cycle, fuel assembly ■
1 can move to the C cell in the fourth cycle.

このような使用を可能にするこれらの燃料集合体の設計
特徴の1つが、制御棒を長期運転期間中挿入しておいた
場合の最終サイクル運転を保証する独特の燃料濃縮度分
布である。
One of the design features of these fuel assemblies that enables such use is the unique fuel enrichment distribution that ensures final cycle operation when control rods are left inserted for extended periods of operation.

別の方式においては、新しい(未照射)Ciタイプの燃
料集合体を各再装荷サイクル毎に制御セル中に装入する
ことができる。
In another approach, a fresh (unirradiated) Ci-type fuel assembly can be loaded into the control cell for each reload cycle.

これらの燃料集合体の燃料要素は、隣接制御ブレード移
動から生じる大きなδ出力からの特別の保護、例えば米
国特許第3,925,151号に記載されたような被覆
障壁をもつように設計することができる。
The fuel elements of these fuel assemblies can be designed with extra protection from large delta powers resulting from adjacent control blade movement, e.g., coated barriers as described in U.S. Pat. No. 3,925,151. I can do it.

前述したように、制御セル炉心の運転にあっては、原子
炉を出力状態にもって行くにつれてCセルの制御棒を除
くすべての制御棒を引抜く。
As mentioned above, in the operation of the control cell core, all control rods except the control rods of the C cell are withdrawn as the reactor is brought to the power state.

従って出力時の運転はCセルの制御棒によって制御され
る。
Therefore, the operation at output is controlled by the control rod of the C cell.

Cセル制御棒の操作計画は、特に従来の制御棒操作計画
と比較して、極めて簡単である。
The C-cell control rod maneuver schedule is extremely simple, especially compared to conventional control rod maneuver schedules.

第4A図に示す燃料集合体の特殊なパターンにより、原
子炉運転開始が容易になり、運転の融通性が高まる。
The special pattern of fuel assemblies shown in FIG. 4A facilitates reactor start-up and increases operational flexibility.

2番目に低い反応度の燃料集合体Na (第4C図)は
%炉心対称な別の制御セル位置に配置する。
The fuel assembly Na (FIG. 4C) with the second lowest reactivity is placed in another control cell location symmetrical to the core.

運転開始の間、Na位置の制御棒は、蒸気ボイド係数、
ドツプラー係数およびキセノン反応度を部分的に制御す
るのに用いられ、その後炉心運転を制御するために制御
棒をCi位置のみに用いる前に引抜くべき最後の制御棒
群となる。
During start-up, the control rod in the Na position has a steam void coefficient,
It is used to partially control the Doppler coefficient and xenon reactivity and is the last group of control rods to be withdrawn before the control rods are used only in the Ci position to control core operation.

このことにより低い原子炉出力時に移動される制御ブレ
ードの先端をはずれた局部的出力が最小限に抑えられ、
さらに迅速かつ信頼性ある原子炉運転開始を行える。
This minimizes localized power off the tips of the control blades that are moved at low reactor powers;
Nuclear reactor operation can be started more quickly and reliably.

次の再装荷サイクルの間、制御セル(Ci)の位置をN
a位置に変えることができ、C1位置からの燃料集合体
を取出すかまたは外周位置Piに移動し、Nb位置の燃
料集合体をCi位置に移動し、新しい燃料集合体を空に
なったNb位置に配置する。
During the next reload cycle, change the position of the control cell (Ci) to N
a position, the fuel assembly from the C1 position can be taken out or moved to the outer peripheral position Pi, the fuel assembly at the Nb position can be moved to the Ci position, and the new fuel assembly can be moved to the empty Nb position. Place it in

その次の再装荷サイクルでは、制御セルを第4A図に示
すCi位置に戻す。
The next reload cycle returns the control cell to the Ci position shown in Figure 4A.

この組合せの再装荷および運転プランにより、再装荷中
に移動しなければならない燃料集合体の数を少くする。
This combined reloading and operation plan reduces the number of fuel assemblies that must be moved during reloading.

同様の計画を用いる統合化平衡再装荷プランを以下に説
明する。
An integrated balanced reload plan using a similar plan is described below.

1例としてCセル制御棒操作計画を一般用語で第5図に
関連して説明する。
As an example, the C cell control rod maneuvering plan will be described in general terms with reference to FIG.

第5図ではCセル制御棒を8個のセル群の1構成要素と
して示しである。
In FIG. 5, the C cell control rod is shown as one component of a group of eight cells.

第5図の群指定を用いた場合、サイクル全体にわたって
のCセル制御棒パターンの選択は代表的には次のように
なる。
Using the group designation of FIG. 5, the selection of C cell control rod patterns throughout the cycle is typically as follows.

(1)群1,2および8の制御棒を相対的に深い位置に
挿入する。
(1) Insert the control rods of groups 1, 2, and 8 into relatively deep positions.

これらの制御棒を用いて、その長さの約%が炉心から引
抜かれるまで、サイクル中の反応度変化を補償する。
These control rods are used to compensate for reactivity changes during the cycle until approximately % of their length is withdrawn from the core.

次いでこれらの制御棒を炉心から完全に引抜く。These control rods are then completely withdrawn from the core.

(2)群3の制御棒を中間位置にかつ群1,2および8
の制御棒に関連して挿入して炉心を臨界状態にし、全半
径方向炉心出力分布を炉心の中心に向けてピーキングさ
せるとともに、中心ピークの大きさを前述したヘーリン
グ燃焼分布の中心ピークに少くとも等しくする。
(2) Group 3 control rods in intermediate position and groups 1, 2 and 8
control rods to bring the core into a critical state, peak the entire radial core power distribution toward the center of the core, and change the magnitude of the central peak to at least the central peak of the Hering burnup distribution described above. Make equal.

(3)群7の制御棒を浅い位置から深い位置に挿入する
(3) Insert the control rods of group 7 from a shallow position to a deep position.

これらの制御棒は二重の役割を果す。これらの制御棒は
、群1および2の制御棒を深く挿入するサイクルの部分
期間の聞手径方向炉心出力分布を整形するのに用いられ
る。
These control rods serve a dual purpose. These control rods are used to shape the radial core power distribution during the sub-period of the cycle in which the control rods of groups 1 and 2 are deeply inserted.

その上、これらの制御棒は、外周集合体に隣接する高反
応変の燃料集合体に許容範囲内に限定された出力密度を
維持するのに必要な軸方向出力整形をなす。
Additionally, these control rods provide the necessary axial power shaping to maintain an acceptably defined power density in the high reactivity fuel assemblies adjacent to the circumferential assembly.

さらに、運転融通性が必要とされる装入後の運転開始お
よび他の状態の間、群7の制御棒を深く挿入して、制御
棒を部分的に引抜いた際にブレード先端をはずれた燃料
の局所出力密度がペレット−クラッド相互作用(PCI
)Lきい値限定出力より小さくなるようにし、この結果
、これらの制御棒を定格出力時に深い位置から移動する
ことができる。
Additionally, during post-charging start-ups and other conditions where operational flexibility is required, deep insertion of group 7 control rods may cause fuel to dislodge the blade tips when the control rods are partially withdrawn. The local power density of the pellet-cladding interaction (PCI
) L threshold limited power so that these control rods can be moved from a deep position at rated power.

(4)群4および5の制御棒は、群1,2および8の制
御棒を挿入したサイクルの部分期間の間軸方向出力整形
のためのみに用いられる。
(4) Groups 4 and 5 control rods are used only for axial power shaping during the portion of the cycle in which Groups 1, 2, and 8 control rods are inserted.

この期間中制御棒を必要に応じてのみ挿入して隣接高反
応度燃料集合体に許容し得る出力密度余裕を維持する。
During this period, control rods are inserted only as needed to maintain an acceptable power density margin for adjacent high reactivity fuel assemblies.

群1,2および8の制御棒を完全に引抜いたとき、群4
および5の制御棒を挿入してそのサイクルの残りの期間
の反応度制御の役割を引継ぐ。
When the control rods of groups 1, 2 and 8 are completely withdrawn, group 4
and 5 control rods are inserted to take over the role of reactivity control for the remainder of the cycle.

この群1,2および8の制御棒を群4および5の制御棒
と交換することは、時にはCセル燃料集合体におけるピ
ーク出力密度を最小にするために行われる。
This replacement of Groups 1, 2 and 8 control rods with Groups 4 and 5 control rods is sometimes done to minimize peak power density in the C cell fuel assembly.

群4および5のセル中のCセル燃料集合体は交換時にそ
の中心面より上に制御棒履歴をもたないので、これらの
局所出力ビーキングは交換を行わなかった場合に群1,
2および8制御セルの燃料集合体が呈するであろうピー
キングより低い。
Because the C cell fuel assemblies in cells in groups 4 and 5 have no control rod history above their center planes at the time of replacement, these local power beaks would be similar to those in groups 1, 5, and 5 if no replacement occurred.
This is lower than the peaking that a 2 and 8 control cell fuel assembly would exhibit.

(5)最後に、群6の制御棒を必要な場合にのみ挿入し
て高反応度燃料集合体に許容し得る出力密度を維持する
か、または前述した群7の制御棒の適用に類似した深い
制御および全出力運転融通性を達成する。
(5) Finally, Group 6 control rods may be inserted only when necessary to maintain acceptable power densities in high reactivity fuel assemblies, or similar to the Group 7 control rod application described above. Achieve deep control and full power operation flexibility.

1運転サイクルの最後に、再装荷のために原子炉を停止
する。
At the end of one operating cycle, the reactor is shut down for reloading.

通常、外周燃料集合体を炉心から取出す。Usually, the outer fuel assembly is removed from the core.

Cセル集合体をCセルから外し、炉心から取出すか、ま
たは場合によってはこれらの集合体を炉心でもう1サイ
クル用いるために外周燃料集合体位置に移動してもよい
The C-cell assemblies may be removed from the C-cell and removed from the core, or optionally moved to a peripheral fuel assembly location for use in the core for one more cycle.

CセルにはNセルから最高燃焼最低反応度の燃料集合体
を再装荷する。
The C cell is reloaded with the fuel assembly having the highest combustion and lowest reactivity from the N cell.

(Nセルからの高燃焼集合体も外周燃料集合体位置に移
動することができる。
(High combustion assemblies from N cells can also be moved to outer fuel assembly positions.

)新しい燃料集合体をNセルに(好ましくは散乱装入態
様で)挿入する。
) Insert a new fuel assembly into the N cell (preferably in a scatter loading manner).

これらの新しい集合体は次の運転サイクル全体にわたっ
て必要な反応度を与えるのに適当な濃縮度を有する。
These new aggregates have the appropriate enrichment to provide the necessary reactivity throughout the next operating cycle.

本発明に従って再装荷した炉心の配列例を第6A図に示
す。
An example arrangement of a core reloaded in accordance with the present invention is shown in FIG. 6A.

燃料集合体の判別符号(N、C,P )の添字O〜3は
この再装荷時までに燃料が受けている照射サイクルの数
を示す。
The subscripts O to 3 of the fuel assembly identification codes (N, C, P) indicate the number of irradiation cycles that the fuel has received up to the time of this reloading.

第6B図は第4A図の初期炉心設計と同様の反応度分布
を呈する別のパターンを示す。
FIG. 6B shows another pattern exhibiting a reactivity distribution similar to the initial core design of FIG. 4A.

外周(P4位置)に位置する第5サイクル燃料は、通常
それ以前のサイクルからの第4サイクル外周燃料である
が、制御セル位置から移動された燃料とすることもでき
る。
The fifth cycle fuel located at the outer periphery (P4 position) is typically the fourth cycle outer circumferential fuel from the previous cycle, but may also be fuel moved from the control cell position.

このパターンを平衡時に繰返すには、P4.C3および
/またはP33燃料集体を取出し、N2および/またば
C3燃料集合体をP位置に移動し、N2燃料集合体をC
3位置に移動し、N□燃料集合体を以前のN2位置に移
動し、新しい燃料を空のN1位置に装入する。
To repeat this pattern at equilibrium, P4. Remove the C3 and/or P33 fuel assembly, move the N2 and/or C3 fuel assembly to the P position, and move the N2 fuel assembly to the C
3 position, move the N□ fuel assembly to the previous N2 position, and charge new fuel into the empty N1 position.

第6C図は第6B図と類似した別の装入パターンを示す
が、本例では制御セルを炉心の中心に関して異なる位置
に配置して第3B図の炉心配置と同様の配置を達成して
いる。
Figure 6C shows another charging pattern similar to Figure 6B, but in this case the control cells are placed at a different location with respect to the center of the core to achieve a core arrangement similar to that of Figure 3B. .

第6C図の配置の制御セルは第6B図の配置のN2燃料
のセルと同じ位置にあることに注意すべきである。
It should be noted that the control cell in the configuration of FIG. 6C is in the same location as the N2 fuel cell in the configuration of FIG. 6B.

N2燃料集合体は、その最終サイクルの量制御セルに使
用されるように予定されているので、再装荷中に移動し
なければならない燃料集合体の数は、ある再装荷サイク
ルでの第6B図の制御セルパターンから次の再装荷サイ
クルで第6C図のパターンに、またその次の再装荷サイ
クルで第6B図のパターンにと順次変えて行くことによ
り最小にすることができる。
Since the N2 fuel assemblies are scheduled to be used in the quantity control cell for that last cycle, the number of fuel assemblies that must be moved during reloading is as follows: This can be minimized by sequentially changing from the control cell pattern of , to the pattern of FIG. 6C in the next reload cycle, and to the pattern of FIG. 6B in the next reload cycle.

この別法により制御ブレードの使用および燃焼が一層多
数の制御棒に広げられ、従って制御セル内での出力整形
および反応度制御のために特殊機能長寿命制御棒の数が
約2倍必要である。
This alternative spreads the use of control blades and combustion over a larger number of control rods, thus requiring approximately twice the number of specialized long-life control rods for power shaping and reactivity control within the control cell. .

第7図は、第5,6Aおよび6C図の炉心配置に新しい
燃料N。
FIG. 7 shows the new fuel N in the core configuration of FIGS. 5, 6A, and 6C.

とじて使用する再装荷燃料集合体例を示す。An example of a reloading fuel assembly used as a fuel assembly is shown below.

この設計で注目に値するのは、燃料集合体の制御棒角部
に相対的に低い濃縮度の燃料要素を配置したことで、こ
れにより制御棒履歴効果を最小にするとともに、集合体
をNセルで照射した後Cセル位置に使用することができ
る。
A notable feature of this design is the placement of relatively low enrichment fuel elements at the control rod corners of the fuel assembly, which minimizes control rod history effects and moves the assembly into N cells. It can be used in the C cell position after irradiation.

特別な燃料要素を、再装荷または初期炉心燃料集合体内
の出力変化またはペレット−クラッド相互作用からの損
傷をもつとも受は易い燃料要素位置、例えば第7図の再
装荷燃料集合体の位置3゜4,5および7に使用するこ
とができる。
Special fuel elements may be placed at fuel element locations that are susceptible to reloading or damage from power changes or pellet-clad interactions within the initial core fuel assembly, such as the reloaded fuel assembly location 3°4 in FIG. , 5 and 7.

このような燃料要素には保護被覆障壁、例えば被覆を核
分裂生成物の攻撃から保護する銅または純粋なジルコニ
ウムの層を設けることができる。
Such fuel elements can be provided with a protective coating barrier, for example a layer of copper or pure zirconium that protects the coating from attack by fission products.

このような耐損傷性燃料要素は環状燃料ペレットおよび
/または添加可塑剤含有燃料ペレットを含むこともある
Such damage resistant fuel elements may include annular fuel pellets and/or fuel pellets containing added plasticizers.

本発明に係わる燃料集合体は炉心必要条件および特定の
集合体の炉心内の位置に応じて一層多量または少量の可
燃性吸収材を含有できることを注意すべきである。
It should be noted that fuel assemblies according to the present invention may contain greater or lesser amounts of combustible absorbent material depending on core requirements and the location of the particular assembly within the core.

第8A図は、第6A図の平衡炉心の運転サイクル全体に
わたっての種々の照射量EにおけるCセル制御棒パター
ンの例を示す。
FIG. 8A shows examples of C cell control rod patterns at various doses E throughout the operating cycle of the balanced core of FIG. 6A.

制御棒は群毎に操作され、この制御棒群の符号1〜8は
第5図に示したのと同じである。
The control rods are operated in groups, and the control rod groups 1 to 8 are the same as shown in FIG.

Cセルを表わす四角内の数字はセルの制御棒の全深さ挿
入に対する割合(パーセント)を示す。
The number within the square representing the C cell indicates the cell's percentage of the total depth insertion of the control rod.

従って、100は完全挿入を示し、0は完全引抜きを示
す。
Thus, 100 indicates full insertion and 0 indicates full withdrawal.

制御セル以外の制御棒は有意の出力時には運転に用いら
れず、制御セルの制御棒の移動は原子炉運転中は最小限
に抑えられる。
Control rods other than the control cell are not used for operation during significant power output, and movement of control rods in the control cell is minimized during reactor operation.

第8B図は、普通の設計および運転の炉心に関して、制
御棒に隣接する相対出力を底部進入制御棒位置の函数と
して示す。
FIG. 8B shows the relative power adjacent to the control rod as a function of bottom entry control rod position for a core of conventional design and operation.

この図は炉心の頂部における減少した蒸気ボイド注入の
効果を示し、その結果、制御棒を炉心の底部に挿入した
としても高いピーク出力が生じる。
This figure shows the effect of reduced steam void injection at the top of the core, resulting in high peak power even if the control rods are inserted at the bottom of the core.

第8C図は、本発明の制御セル炉心思想に基づく設計お
よび運転の炉心に関する相対出力対制御棒位置の関係を
示す同様の曲線を示す。
FIG. 8C shows a similar curve of relative power versus control rod position for a core designed and operated according to the control cell core concept of the present invention.

注目すべきことには、第8B図の通常の炉心と比較して
制御ブレードに隣接するピーク出力が著しく減少し、炉
心内の上方または下方で出力のピークが生じ難く、出力
ビーキングを増さずに制御ブレードを炉心中一層深くに
挿入でき、制御ブレードを完全に引抜いた位置で出力が
燃料の頂部約80%にわたって減少する。
Notably, the peak power adjacent to the control blades is significantly reduced compared to the conventional core in Figure 8B, and power peaks are less likely to occur above or below the core, without increasing power peaking. The control blade can be inserted deeper into the core, and the fully withdrawn position of the control blade reduces power over about 80% of the top of the fuel.

第8D図は、本発明の制御セル内での制御棒移動が非制
御セル内の高反応度燃料に与える効果を示す。
FIG. 8D illustrates the effect of control rod movement within a control cell of the present invention on high reactivity fuel within a non-control cell.

通常の設計の高反応度燃料出力分布傾向(第8B図)と
比較して、制御ブレード移動中の出力(KW、/ft、
)の変化が小さく、この燃料では制御セルブレードの部
分的挿入により軸方向出力ピークを一層よく制御でき、
ある制御棒状態から別の状態への移行が一層スムーズで
、炉心の頂部における出力増加が著しく小さく、そして
ピーク原子炉局所出力が減少する。
Compared to the high reactivity fuel power distribution trend of the conventional design (Figure 8B), the power during control blade movement (KW,/ft,
), and with this fuel the axial power peak can be better controlled by partial insertion of the control cell blades,
The transition from one control rod state to another is smoother, the power increase at the top of the core is significantly smaller, and peak reactor local power is reduced.

従って本発明に係わる制御セル操作モードにおいては、
制御ブレードを炉心の底部約17%に挿入しても、制御
セルの燃料にも制御セルの外側のつまり非制御セルの高
反応度燃料にも著しいピーク出力の増加がない。
Therefore, in the control cell operation mode according to the present invention,
Inserting the control blade approximately 17% into the bottom of the core does not result in a significant peak power increase in either the control cell fuel or the high reactivity fuel outside the control cell or non-control cells.

さらに、制御セルの制御ブレードを中心炉心位置に挿入
することにより、隣接非制御セルの燃料のピーク出力が
著しく減少する。
Additionally, by inserting the control blades of the control cells into the central core location, the peak fuel output of adjacent uncontrolled cells is significantly reduced.

これらの傾向を用いて、今まで適用されてきた従来の制
御法で遠戚されるより一層適切な出力形状を本発明の制
御セル設計で得ることができる。
By using these trends, a more appropriate output shape can be obtained with the control cell design of the present invention than is remotely related to conventional control methods that have been applied hitherto.

本発明の制御セル炉心の重要な特徴はCセルおよびNセ
ル制御棒の機能の分離である。
An important feature of the control cell core of the present invention is the functional separation of the C cell and N cell control rods.

炉心出力レベルおよび整形制御に用いられるCセルの制
御棒は全制御棒の約にだけである。
C-cell control rods are used for core power level and shaping control, making up only about approximately of the total control rods.

残りの制御棒、即ちCセル以外の制御棒はその主機能と
して原子炉停止を行う。
The main function of the remaining control rods, ie, control rods other than the C cell, is to shut down the reactor.

この機能分離と炉心出力制御に用いられる制御棒の数を
最小にすることによって、制御棒およびその駆動機構の
設計を改変して、すべての制御棒および駆動機構が出力
整形および停止の二重機能を果さなければならない場合
には実用できないような態様で、前記制御棒および駆動
機構が特定の機能を果すようにすることができる。
By minimizing this functional separation and the number of control rods used for core power control, we modified the design of the control rods and their drive mechanisms so that all control rods and drive mechanisms have dual functions of power shaping and shutdown. The control rods and drive mechanisms can be configured to perform specific functions in a manner that would not be practical if the control rod and drive mechanism had to be performed.

例えば、Cセルの制御棒が長い寿命を有し、これらの制
御棒がその移動につれて隣接燃料の局所出力を急激にと
いうよりはむしろ徐々に変化させることが望ましい。
For example, it is desirable for the control rods of a C cell to have a long life and for these control rods to change the local power of the adjacent fuel gradually, rather than abruptly, as they move.

Cセルに用いるのに適当な制御棒181および制御棒駆
動機構171の例を第9A〜9D図に示す。
An example of a control rod 181 and control rod drive mechanism 171 suitable for use in a C cell is shown in FIGS. 9A-9D.

制御棒181は、ハンドル44が形成された上部鋳造部
42と下部鋳造部46とを十字断面の中心ポスト48で
連結して形成される。
The control rod 181 is formed by connecting an upper casting part 42 in which a handle 44 is formed and a lower casting part 46 with a center post 48 having a cross section.

下部鋳造部46には速度制限器50、案内ローラ52お
よび駆動機構171への取付用の連結ソケット54が形
成されている。
A connecting socket 54 for attachment to a speed limiter 50, a guide roller 52, and a drive mechanism 171 is formed in the lower casting portion 46.

上部鋳造部42にも案内ローラ55が取付けられ、これ
により制御棒181を燃料集合体間で横方向に支持する
Guide rollers 55 are also attached to the upper casting 42 to support the control rods 181 laterally between the fuel assemblies.

U字形のシースを中心ポスト48および上部鋳造部42
および下部鋳造部46に取付けて制御棒の4つのブレー
ド56(1)〜56(4)を形成する。
A U-shaped sheath is attached to the center post 48 and the upper casting part 42.
and attached to the lower casting 46 to form the four blades 56(1) to 56(4) of the control rod.

ブレード56(1)〜56(4)それぞれの中には複数
個の中性子吸収棒5Bが収容される。
A plurality of neutron absorption rods 5B are accommodated in each of the blades 56(1) to 56(4).

代表的には、吸収棒58は第9B図に示す通り、適当な
中性子吸収材、例えば天然の炭化硼素(B4C)粉末6
2を含有する密封管60から形成される。
Typically, the absorber rod 58 is made of a suitable neutron absorbing material, such as natural boron carbide (B4C) powder 6, as shown in FIG. 9B.
It is formed from a sealed tube 60 containing 2.

粉末62の柱状体は、一連の離間した球64により分割
され、球64は、管60の壁に設けられた円周方向クリ
ンプ66により移動を拘束されている。
The column of powder 62 is divided by a series of spaced balls 64 which are restrained from movement by circumferential crimps 66 in the wall of tube 60.

この横取により、粉末62の柱状体に空隙が生じるのを
防止するとともに、吸収棒の一部に亀裂が入った場合に
吸収棒から粉末がすべて失なわれるのを防止する。
This preemption prevents voids from forming in the columnar body of powder 62, and also prevents all powder from being lost from the absorbent rod in the event that a portion of the absorbent rod is cracked.

制御セル内に配置された制御棒が、隣接燃料に最小の衝
撃しか与えず、従って制御棒ブレードを引抜いたときに
局所出力変化を最小にすることが望ましい。
It is desirable for a control rod located within a control cell to have minimal impact on adjacent fuel, thus minimizing local power changes when the control rod blade is withdrawn.

このことは制御棒ブレードに「グレイチツプ(grey
tip)Jを設けることによりある程度達成される。
This means that the control rod blade has a "gray chip".
tip) This can be achieved to some extent by providing J.

グレイチツプは水減速材を排水するとともに、制御ブレ
ードの他の場所の強い制御物質より少量の中性子を吸収
する。
The gray chips drain the water moderator and absorb fewer neutrons than the stronger control material elsewhere on the control blade.

制御セル内に配置された制御ブレードが長い寿命を有す
ることも望ましい。
It is also desirable for control blades located within the control cell to have a long life.

制御ブレードの羽根の先端および側縁は最大数の中性子
を吸収し、これらが制御ブレード寿命を限定する。
The tips and side edges of the control blade vanes absorb the greatest number of neutrons and these limit the control blade life.

制御ブレードの高捕獲領域に、中性子捕獲から気体また
は他の損傷性反応生成物を生成しない長寿命物質を選択
使用することにより、制御ブレードの寿命を伸ばすこと
ができる。
The life of the control blade can be extended by selectively using long-life materials in the high capture regions of the control blade that do not produce gases or other damaging reaction products from neutron capture.

制御棒181をCセルに使用するように改作する特徴は
次の通りである。
The features of adapting the control rod 181 for use in the C cell are as follows.

制御棒181には長寿命または「グレイチツプ」を種々
の方法で形成することができる。
Control rods 181 can be formed with long life or "gray chips" in a variety of ways.

(ここで「グレイチツプ」は制御強さが頂部またはハン
ドル端から徐々に増加することを意味する。
(Here "gray tip" means that the control strength increases gradually from the top or end of the handle.

)第9A図に示すように、ハンドル44は正規より幅広
にかつ長くシ、例えば中性子吸収材であるが硼素より制
御強さの低いステンレス鋼で形成する。
) As shown in FIG. 9A, the handle 44 is wider and longer than normal and is made of, for example, stainless steel, which is a neutron absorbing material but has lower control strength than boron.

従って、拡大されたハンドル44は水をその分排水し、
制御棒の先端から本体へ制御強さを変移させる。
The enlarged handle 44 therefore drains water accordingly;
Transfers control strength from the tip of the control rod to the main body.

グレイチップ長寿命制御棒181を形成する別のまたは
追加の方法を第9C図に示す。
An alternative or additional method of forming a gray tip long life control rod 181 is shown in FIG. 9C.

本例では、ブレード56(1)〜56(4)内の吸収棒
58の管60に吸収材62をその高さがブレードの外縁
に向って次第に低くなるように充填することにより、グ
レイチップ長寿命制御棒を得る。
In this example, the gray chip length is increased by filling the tubes 60 of the absorption rods 58 in the blades 56(1) to 56(4) with the absorbent material 62 so that its height gradually decreases toward the outer edge of the blade. Obtain a life control rod.

グレイチップ効果および長い制御ブレード寿命双方をも
たらす配置を第9D図に示す。
An arrangement that provides both a gray tip effect and long controlled blade life is shown in Figure 9D.

この配置では、硼素に代えて適当な中性子吸収材、例え
ばハフニウムを内側吸収棒ではその長さの頂部1/24
からKまで、また1本または2本以上の外側吸収棒では
その全長に充填する。
In this arrangement, instead of boron, a suitable neutron absorbing material, e.g.
to K and, in the case of one or more outer absorption rods, their entire length.

制御ブレードの中性子束勾配が急峻であるので、制御ブ
レードの先端および外側吸収棒は最高入射中性子束、最
大中性子捕獲速度、従って最短寿命を有する。
Because the control blade neutron flux gradient is steep, the control blade tip and outer absorption rod have the highest incident neutron flux, the highest neutron capture rate, and therefore the shortest lifetime.

これらの位置に用いられるハフニウムはB4Cよりはる
かに長いブレード寿命を与える。
Hafnium used in these locations provides much longer blade life than B4C.

その理由は、ハフニウムがB、Cから生成されるガスを
含めて損傷性反応生成物を形成しないからである。
The reason is that hafnium does not form damaging reaction products, including gases produced from B and C.

またハフニウムは熱中性子に対してB4Cより鈍感であ
るが、エビサーマル中性子の強い吸収材である。
Although hafnium is less sensitive to thermal neutrons than B4C, it is a strong absorber of ebithermal neutrons.

従って、ハフニウムは熱中性子吸収が少ないが、エビサ
ーマル中性子に関してばU−238とより大きく競合す
る。
Therefore, hafnium absorbs less thermal neutrons, but competes more with U-238 for evitothermal neutrons.

その結果、U−238の転換が減少し、従って制御棒履
歴効果が減少する。
As a result, U-238 diversions are reduced and therefore control rod history effects are reduced.

ハフニウムでは経費が大きくなることばCセル制御棒へ
の使用については正補化される。
For hafnium, the use of C-cell control rods, which increases costs, will be compensated.

その理由は、Cセル制御棒は炉心の制御棒のうち少数部
分であり、もつとも厳しい責務を果すからである。
The reason for this is that the C cell control rods are a minority of the control rods in the reactor core, and they have a very strict responsibility.

第9D図の制御棒設計は、高価なハフニウム物質を制御
ブレード寿命の延長にこの物質が必要とされる制御ブレ
ードの領域のみに局在化することによりコストを最小限
に抑えている。
The control rod design of FIG. 9D minimizes cost by localizing expensive hafnium material only to areas of the control blade where this material is needed to extend control blade life.

最後に、制御棒を移動するときに隣接燃料における局所
出力の変化割合を小さくするために、制御棒駆動機構1
71(第9A図)を微細移動型のものとするのが望まし
い。
Finally, in order to reduce the rate of change in local power in adjacent fuel when moving the control rod, the control rod drive mechanism
71 (FIG. 9A) is preferably of the micro-movement type.

適当な微細移動蓋スクラム7駆動機構が米国特許第3,
734,824号に開示されている。
A suitable fine movement lid scram 7 drive mechanism is disclosed in U.S. Pat.
No. 734,824.

Cセルの外側の制御棒、即ちNセルの制御棒は、原子炉
炉心が出力運転中は引抜かれる。
The control rods outside the C cell, ie, the control rods of the N cell, are withdrawn when the reactor core is in power operation.

従ってこれらの制御棒は長い寿命を有し、コールド停止
価値を最大にするためにより強い吸収性のより高価な物
質でつくることができる。
These control rods therefore have a long life and can be made of more absorbent, more expensive materials to maximize cold shutdown value.

Nセルに用いる制御棒182および駆動機構172の例
を第10図に示す。
An example of the control rod 182 and drive mechanism 172 used in the N cell is shown in FIG.

制御棒182の概略構造は第9A図の制御棒181とは
ゾ同様である。
The general structure of the control rod 182 is similar to that of the control rod 181 shown in FIG. 9A.

従って概略の説明は繰返さない。コールド状態では、例
えば沸騰水型原子炉の場合、炉心の頂部付近の燃料がも
つとも反応性である。
Therefore, the general description will not be repeated. In cold conditions, for example in boiling water reactors, the fuel near the top of the core is highly reactive.

従って、Nセル制御棒においては、より高価かつ強い中
性子吸収性の物質を吸収棒の頂部Kまたは%のみに使用
することが必要である。
Therefore, in N-cell control rods, it is necessary to use more expensive and stronger neutron-absorbing materials only in the top K or % of the absorber rod.

従って、第10図に示すように、吸収棒の特殊な強力停
止ブレードは、例えばブレード56’(1)〜56’(
4)の上部%の部分に炭化硼素(B−10)を、その長
さの残り下側%に普通のB4Cを含有する。
Therefore, as shown in FIG.
4) contains boron carbide (B-10) in the upper % and ordinary B4C in the remaining lower % of its length.

最後に、制御棒駆動機構172は比較的簡単に段階的移
動およびスクラム移動を行うことができる。
Finally, control rod drive mechanism 172 can perform step and scram movements with relative ease.

このような駆動機構の適当な例が米国特許第3.020
,887号に示されている。
A suitable example of such a drive mechanism is U.S. Pat.
, No. 887.

以上、原子炉炉心用の燃料および制御棒の設計および配
置と、この炉心設計およびその運転を著しく簡単にでき
しかも燃料損壊の危険の低下した運転方法とを説明した
What has been described above is a design and arrangement of fuel and control rods for a nuclear reactor core, and a method of operation that greatly simplifies this core design and its operation and reduces the risk of fuel damage.

出力時に操作しなければならない制御棒の数を著しく少
なくシ、制御棒パターンをより精密かつ簡単にすること
により、自動化制御操作が一層容易になる。
Automated control operations are made easier by significantly reducing the number of control rods that must be manipulated during output and by providing a more precise and simpler control rod pattern.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、水冷却兼減速原子炉およびその蒸気使用系統
を示す概略図、第2図は、炉心の燃料セルの線図的平面
図、第3A図および第3B図は、それぞれ制御セル配列
の異なる例を示す炉心のHの部分の線図的平面図、第4
A図は、初期炉心用の制御セル炉心配列を示す線図的平
面図、第4B〜4F図は、第4A図の配列に用いる燃料
集合体Ci、Na、Nb、IiおよびPiの配列図、第
4G図は、燃料要素内の可燃性吸収材の分布図、第5図
は、制御セルの制御棒の群指名の説明図、第6A〜6C
図は、平衡炉心設計の再装荷例を示す平面図、第7図は
、再装荷燃料集合体の例を示す配列図、第8A図は、炉
心運転サイクルの間の種々の照射量における制御棒パタ
ーンの例(群指定は第5図参照のこと)を示し、第8B
図は、従来の設計の炉心における高反応度燃料集合体の
局部出力変化をその集合体に隣接する制御棒の種々の位
置について示す曲線図(隣接制御棒を底部に向って引き
抜く際の従来の設計の新燃料集合体の出力を示す)、第
8C図は、本発明の制御セル内の燃料集合体の局部出力
変化をその制御セル内の制御棒の種々の位置について示
す曲線図(制御セルの制御棒を底部に向って引抜く際の
制御セル燃料の出力を示す)、第8D図は、本発明の非
制御セル内の高反応度燃料集合体の局部出力変化を隣接
制御セル内の制御棒の種々の位置について示す曲線図(
制御セルの制御棒を底部に向って引抜く際の制御セルの
隣りの新燃料の出力を示す)、第9A〜9D図は、炉心
の制御セルに用いる制御棒および駆動機構を示し、第9
A図は制御棒と駆動機構の斜視図、第9B図は吸収棒の
断面図、第9C図は、制御ブレード内の吸収材の配置例
、第9D図は制御ブレード内の吸収材の別の配置例を示
し、第10図は、炉心の非制御セルに用いる制御棒およ
び駆動機構を示す斜視図である。 11・・・・・・炉心、13・・・・・・燃料集合体、
18・・・・・・制御棒、29・・・・・・燃料セル、
34・・・・・・燃料要素、56・・・・・・ブレード
、58・・・・・・吸収棒、171゜172・・・・・
・C,Nセル駆動機構、181,182・・・・・・C
,Nセル制御棒。
Figure 1 is a schematic diagram showing a water-cooled and moderated reactor and its steam usage system, Figure 2 is a diagrammatic plan view of the fuel cells in the core, and Figures 3A and 3B are control cell arrangements, respectively. Diagrammatic plan view of the H section of the core showing different examples of
Figure A is a diagrammatic plan view showing the control cell core arrangement for the initial core; Figures 4B to 4F are arrangement diagrams of fuel assemblies Ci, Na, Nb, Ii, and Pi used in the arrangement of Figure 4A; Fig. 4G is a distribution diagram of combustible absorbent material in the fuel element, Fig. 5 is an explanatory diagram of group designations of control rods in the control cell, and Fig. 6A to 6C.
FIG. 7 is a plan view showing an example of a reloading balanced core design; FIG. 7 is a layout diagram showing an example of a reloading fuel assembly; FIG. 8A is a plan view showing an example of a reloading fuel assembly; FIG. An example of the pattern (see Figure 5 for group designation) is shown, and 8B
The figure is a curve diagram showing the local power variation of a high reactivity fuel assembly in a conventionally designed core for various positions of the control rods adjacent to the assembly (conventional Fig. 8C is a curve diagram showing the local power variation of a fuel assembly in a control cell of the present invention for various positions of the control rods within that control cell. Fig. 8D shows the local power change of the high reactivity fuel assembly in the non-controlled cell of the present invention compared to that in the adjacent control cell. Curve diagrams showing various positions of control rods (
Figures 9A-9D illustrate the control rods and drive mechanism used in the core control cell;
Figure A is a perspective view of the control rod and drive mechanism, Figure 9B is a sectional view of the absorption rod, Figure 9C is an example of the arrangement of the absorber in the control blade, and Figure 9D is another example of the arrangement of the absorber in the control blade. An example of the arrangement is shown in FIG. 10, which is a perspective view showing control rods and drive mechanisms used in non-controlled cells of the reactor core. 11... Core, 13... Fuel assembly,
18... Control rod, 29... Fuel cell,
34...Fuel element, 56...Blade, 58...Absorption rod, 171°172...
・C, N cell drive mechanism, 181, 182...C
, N cell control rod.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 複数個のセルを有する原子炉炉心において、各セル
が、選択的に挿入可能な制御棒を囲む複数個の個別に変
換可能な燃料集合体を含み、連続する定期運転サイクル
1回毎に原子炉を停止して、炉心の燃料集合体の一部を
交換するようにした原子炉炉心を燃料装荷および運転す
るにあたり、(1)前記炉心に2種のセルのパターン、
即ち制御セルセットと非制御セルセットよりなり、制御
セルが互に少くとも1個の非制御セルで分離されたパタ
ーンを選定し、 (2)前記制御セルに使用するように特に構成された設
計の比較的低反応度の燃料の燃料集合体を制御セルに配
置し、 (3)前記制御セルに次に使用するように特に構成され
た設計の高反応度の燃料集合体を前記非制御セルに配置
し、この高反応度は、前記燃料集合体を炉心にn運転サ
イクル時間滞在させるのに十分なものとし、 (4)前記非制御セルの制御棒を炉心から実質的に引抜
きかつ前記制御セルの少くとも幾つかのセルの制御棒を
炉心に選択的に挿入して炉心の出力レベルを制御しなが
ら、炉心を1運転サイクル全体にわたって運転し、 (5)前記サイクルの終点で炉心の再装荷のために原子
炉を停止し、 (6)前記制御セルそれぞれからすべての燃料集合体を
取出し、 (7)前記制御セルから取出した燃料集合体すべてを、
前記非制御セルから移動され炉心内に(n1)サイクル
滞在していた照射ずみ燃料集合体と交換し、 (8)前記制御セルに移動された照射ずみ燃料集合体の
数と少くとも等しい数の、炉心内でのn運転サイクルの
滞在時間に十分な反応度を呈する濃縮度の未照射燃料集
合体を前記非制御セルに挿入し、 (9)前記工程(4)〜(8)に従って、連続する運転
サイクルで順次炉心を運転する、 以上の諸段階を有する原子炉炉心の燃料装荷および運転
方法。 2 前記炉心の運転を、部分的に挿入された制御棒のブ
レードを高反応度熱料の隣りに挿入しないように行う特
許請求の範囲第1項記載の方法。 3 前記燃料集合体のうち幾つかの燃料集合体が可燃性
吸収材を含有し、前記炉心の運転を、部分的に挿入され
た制御棒のブレードを非減損可燃性吸収材含有撚料の隣
りに挿入しないように行う特許請求の範囲第1または2
項記載の方法。 4 前記非制御セルに挿入される前記未照射燃料集合体
が、四辺配列体に配置された複数個の細長い離間したは
マ平行な燃料要素よりなり、集合体の2つの隣接辺が炉
心内で制御棒のブレードに隣接して位置するよう選択さ
れ;前記集合体の中心群の燃料要素が比較的高濃縮度の
燃料を含有し;中間群の燃料要素が前記高濃縮度より低
い中間濃縮度の燃料を含有し;外周群の燃料要素が前記
中間濃縮度より低い低濃縮度の燃料を含有し;角の燃料
要素が前記低濃縮度より低い濃縮度の燃料を含有し;前
記所定隣接辺により画成される角に位置する1つの角燃
料要素が前記集合体の他のあらゆる燃料要素より低い濃
縮度の燃料を含有し;前記集合体の幾つかの燃料要素が
可燃性吸収材を含有し;さらに少くとも1本の減速材流
通棒が前記中心群の燃料要素間に延在する特許請求の範
囲第3項記載の方法。 5 工程(7)および(8)を変更して、幾つかの燃料
集合体のみを少くとも幾つかの制御セルから取出し、こ
れらの燃料集合体を(n−1)サイクル照射されている
非制御セルからの燃料集合体と交換する特許請求の範囲
第1〜4項のいずれか1項に記載の方法。 6 工程(7)および(8)を変更して、少くとも幾つ
かの燃料集合体を少くとも幾つかの制御セルから取出し
、これらの燃料集合体を比較的低反応度の未照射燃料集
合体と交換する特許請求の範囲第1〜4項のいずれか1
項に記載の方法。 7 工程(7)および(8)を変更して、幾つかの燃料
集合体のみを少くとも幾つかの制御セルから取出し、こ
れらの燃料集合体を前記非制御セル内で(n−1)サイ
クルより少いサイクル照射されている比較的低反応度の
照射ずみ燃料集合体と交換する特許請求の範囲第1〜4
項のいずれか1項に記載の方法。 8 燃料要素のペレット−クラツディング相互作用に対
する抵抗性を増す手段を含む燃料集合体のみを前記非制
御セルから前記制御セルに移動する特許請求の範囲第7
項記載の方法。 9 さらに、反応度が前記制御セルの燃料の反応度より
大きく前記非制御セルの燃料の反応度より小さい燃料の
燃料集合体を含む第2制御セルのセットを選定し、前記
第2制御セルの制御棒を原子炉運転開始時および全出力
運転に近つく間使用し、前記第2制御セルの制御棒を全
出力運転中引抜き状態に維持する工程を含む特許請求の
範囲第1〜8項のいずれか1項に記載の方法。 10 さらに、グレイチップを有する制御棒を前記制
御セルに配置する工程を含み、前記グレイチップにより
制御棒の上端の一部に沿って制御強さを次第に減少させ
る特許請求の範囲第1〜9項のいずれか1項に記載の方
法。 11 前記制御セルの制御棒の上方部分および側方部分
にハフニウムを配置し、前記制御セルの制御枠内の中性
子吸収材の残りを特徴とする特許請求の範囲第1〜10
項のいずれか1項に記載の方法。 12上部の制御強さが下部の制御強さより強い制御棒を
前記非制御セルに配置する工程を含む特許請求の範囲第
1〜11項のいずれか1項に記載の方法。 13前記非制御セルの制御棒の上部に−Hの部分に炭化
硼素(B−10)を、それより下方部分に天然B4Cを
充填する工程を含む特許請求の範囲第1〜12項のいず
れか1項に記載の方法。 14工程(2)で前記制御セルに配置される燃料集合体
が、制御セルの制御棒チャネルに隣接する集合体の燃料
要素内に低濃縮度燃料を含むが可燃性吸収材を含まず、
隣接する制御棒の移動に耐えるように特に設計されてい
る特許請求の範囲第1〜13項のいずれか1項に記載の
方法。 15選択的に挿入可能な制御棒を囲み、個別に交換可能
な複数個の燃料集合体を有する原子炉炉心であって、連
続する定期運転サイクル1回毎に原子炉を停止して炉心
の燃料集合体の一部を交換するようにした原子炉炉心を
燃料装荷および運転するにあたり、 (1)前記炉心に第1制御セルセツト、第2制御セルセ
ツトおよび非制御セルセットを含むセルパターンを選定
し、 前記第1制御セルセツトは、その制御棒が出力時に炉心
を制御できる十分な数とし、第1セツトのセルを互に他
のセルセットの少くとも1個のセルにより分離し、 前記第2制御セルセツトは、その制御棒が出力時に炉心
を制御できる十分な数とし、第2セツトのセルを互に他
のセルセットの少くとも1個のセルにより分離し、第2
セツトのセルを前記第1制御セルセツトのセルとは異な
る炉心内セル位置に配置し、 前記非制御セルセットの非制御セルを前記第1および第
2制御セルセツトのセル間に配置し、(2)比較的低反
応度の燃料の燃料集合体を前記第1セツトの制御セルに
配置し、 (3)n運転サイクルの炉心内滞在時間に十分な反応度
を有する未照射燃料の燃料集合体を少くとも幾つか含む
比較的高反応度の燃料の燃料集合体を前記非制御セルに
配置し、 (4)前記第1制御セルセツトのセルの平均セル反応度
と前記非制御セルのそれとの中間の平均セル反応度を呈
する燃料集合体を前記第2セツトの制御セルに配置し、
この第2制御セルセツトに配置される燃料集合体の少く
とも幾つかを(n−2)運転サイクルの間照射ずみとし
、(5)前記第2制御セルセツトのセルおよび前記非制
御セルの制御棒を出力時に実質的に引抜き、前記第1制
御セルセツトの少くとも幾つかのセルの制御棒を選択的
に挿入して原子炉炉心を制御しながら、炉心を1運転サ
イクル全体にわたって運転し、 (6)前記サイクルの終点で炉心の再装荷のために原子
炉を停止し、 (7)前記第1制御セルセツトの各セルの燃料集合体の
うち少くとも幾つかを取出すとともに、これらを一層高
い反応度の燃料集合体と交換し、(8)前記非制御セル
の燃料集合体のうち少くとも幾つかを取出すとともに、
これらを未照射燃料集合体と交換し、 (9)(n−1)運転サイクルの間照射されている燃料
集合体を少くとも幾つか含む比較的低反応度の燃料の燃
料集合体を前記第2制御セルセツトのセルに配置し、こ
れにより再装荷中の燃料集合体の移動を最小限に抑え、
次いで (1■前記第1制御セルセツトのセルおよび非制御セル
の制御棒を出力時に実質的に引抜き、前記第2制御セル
セツトの少くとも幾つかのセルの制御棒を選択的に挿入
して原子炉炉心を制御しながら、炉心を次の運転サイク
ル全体にわたって運転する、以上の諸段階を有する原子
炉炉心の燃料装荷および運転方法。 16エ程(7)において、前記第1制御セルセツトのセ
ルの交換燃料集合体が(n−2)運転サイクルの間照射
されている燃料集合体を少くとも幾つか含み、これによ
り次の後続運転サイクルの間低反応度燃料を前記第1制
御セルセツトのセルに配置し、前記第2制御セルセツト
のセルおよび非制御セルの制御棒を出力時に炉心から実
質的に引抜いた状態で前記第1制御セルセツトのセルの
制御棒を選択的に挿入して原子炉炉心を制御する特許請
求の範囲第15項記載の方法。 17エ程(8)において、前記非制御セルに配置される
燃料集合体が(n−3)サイクルの間照射されている燃
料集合体と未照射燃料集合体との均等混合物よりなる特
許請求の範囲第15または16項記載の力先 18 さらに比較的低反応度の燃料の燃料集合体を炉
心の外周燃料集合体位置に配置する工程を含む特許請求
の範囲第15〜17項のいずれか1項に記載の方法。 19 さらに比較的高反応度の燃料の燃料集合体を前
記外周燃料集合体位置と前記セルセットとの間の炉心の
中間燃料集合体位置に配置する工程を含む特許請求の範
囲第18項記載の方法。 20 さらに前記中間燃料集合体位置の燃料集合体の
少くとも幾つかを再装荷中に非制御セル位置に移動する
工程を含む特許請求の範囲第19項記載の方法。 21 前記外周燃料集合体位置に配置される燃料集合体
の少くとも幾つかが照射ずみであり、炉心内の最終運転
サイクルの間前記外周位置に配置される特許請求の範囲
第18〜20項のいずれか1項に記載の方法。 22 さらにグレイチップを有する制御棒を前記第1お
よび第2制御セルセツトのセルに配置する工程を含み、
前記グレイチップにより制御棒の上端の一部に沿って制
御強さを次第に減少させる特許請求の範囲第15〜21
項のいずれか1項に記載の方法。 お前記第1および第2制御セルセツトのセルの制御棒の
上方部分および側方部分にハフニウムを配置し、前記制
御セルの制御棒内の中性子吸収材の残りを特徴とする特
許請求の範囲第15〜22項のいずれか1項に記載の方
法。 24 上部の制御強さが下部の制御強さより強い制御棒
を前記非制御セルに配置する工程を含む特許請求の範囲
第15〜23項のいずれか1項に記載の方法。 b前記非制御セルの制御棒の上部に−Hの部分に炭化硼
素B−10を、それより下方部分に天然B4Cを充填す
る工程を含む特許請求の範囲第15〜24項のいずれか
1項に記載の方法。
[Scope of Claims] 1. A nuclear reactor core having a plurality of cells, each cell including a plurality of individually convertible fuel assemblies surrounding a selectively insertable control rod, and capable of continuous periodic operation. When loading and operating a nuclear reactor core in which the reactor is stopped every cycle and a part of the fuel assembly in the reactor core is replaced, (1) two types of cell patterns in the core;
(2) selecting a pattern consisting of a set of controlled cells and a set of non-controlled cells, where the controlled cells are separated from each other by at least one non-controlled cell; (2) a design specifically configured for use with said controlled cells; (3) placing a relatively low reactivity fuel assembly in a control cell in the control cell; (4) the control rods of the non-controlled cells are substantially withdrawn from the reactor and the high reactivity is sufficient to allow the fuel assembly to remain in the core for n operating cycle hours; (5) operating the reactor core for an entire operating cycle while controlling the power level of the reactor core by selectively inserting control rods of at least some of the cells into the reactor core; shutting down the reactor for loading; (6) removing all fuel assemblies from each of the control cells; (7) removing all fuel assemblies from each of the control cells;
(8) a number of irradiated fuel assemblies at least equal to the number of irradiated fuel assemblies that were moved to said control cell; , inserting unirradiated fuel assemblies with an enrichment level that exhibits sufficient reactivity for n operating cycles in the reactor core into the non-controlled cells; (9) following steps (4) to (8), continuously A nuclear reactor core fuel loading and operation method having the above-mentioned steps, in which the core is sequentially operated in an operation cycle in which 2. The method according to claim 1, wherein the core is operated in such a way that a blade of a partially inserted control rod is not inserted next to a high-reactivity heating material. 3. Some of the fuel assemblies contain combustible absorbent material, and the operation of the core is controlled by the use of partially inserted control rod blades adjacent to strands containing combustible absorbent material. Claim 1 or 2 made so as not to be inserted into
The method described in section. 4. said unirradiated fuel assembly inserted into said uncontrolled cell comprises a plurality of elongated, spaced apart or parallel fuel elements arranged in a four-sided array, with two adjacent sides of the assembly located within the reactor core; selected to be located adjacent to the blades of the control rods; a central group of fuel elements of the assembly containing relatively high enrichment fuel; and a middle group of fuel elements having an intermediate enrichment less than the high enrichment. the peripheral group fuel elements contain fuel with a low enrichment lower than the intermediate enrichment; the corner fuel elements contain fuel with an enrichment lower than the low enrichment; the predetermined adjacent side one corner fuel element located at a corner defined by contains a lower enrichment of fuel than every other fuel element of said assembly; some fuel elements of said assembly contain combustible absorbent material; 4. The method of claim 3 further comprising: at least one moderator flow rod extending between fuel elements of said center group. 5. Modify steps (7) and (8) to remove only some fuel assemblies from at least some control cells and to remove these fuel assemblies from uncontrolled cells that have been irradiated for (n-1) cycles. 5. A method as claimed in any one of claims 1 to 4, in which fuel assemblies from cells are replaced. 6 Modifying steps (7) and (8) to remove at least some fuel assemblies from at least some control cells and converting these fuel assemblies into relatively low reactivity unirradiated fuel assemblies. Any one of claims 1 to 4 exchanged with
The method described in section. 7. Modify steps (7) and (8) to remove only some fuel assemblies from at least some control cells and cycle these fuel assemblies (n-1) in said non-control cells. Claims 1-4 Replacement with a relatively low reactivity irradiated fuel assembly that has been irradiated for fewer cycles
The method described in any one of paragraphs. 8. Transferring only fuel assemblies from said non-controlled cells to said controlled cells that include means for increasing the resistance of fuel elements to pellet-cluttering interactions.
The method described in section. 9 further selecting a second control cell set including a fuel assembly of fuel whose reactivity is greater than the reactivity of the fuel in the control cells and smaller than the reactivity of the fuel in the non-control cells; Claims 1 to 8 include the step of using control rods at the start of reactor operation and while approaching full power operation, and maintaining the control rods of the second control cell in a withdrawn state during full power operation. The method described in any one of the above. 10. Claims 1 to 9 further comprising the step of arranging a control rod having a gray chip in the control cell, wherein the gray chip gradually reduces control strength along a portion of the upper end of the control rod. The method according to any one of the above. 11. Claims 1 to 10, characterized in that hafnium is disposed in the upper and side portions of the control rod of the control cell, and the remainder of the neutron absorbing material is within the control frame of the control cell.
The method described in any one of paragraphs. 12. The method according to any one of claims 1 to 11, comprising the step of arranging a control rod in the non-controlled cell, the control strength of which is stronger in the upper part than in the lower part. 13. Any one of claims 1 to 12, including the step of filling boron carbide (B-10) in the -H part of the control rod of the non-controlled cell and filling natural B4C in the lower part. The method described in Section 1. 14, the fuel assembly disposed in the control cell in step (2) includes low enrichment fuel in the fuel element of the assembly adjacent to the control rod channel of the control cell, but does not include combustible absorbent material;
14. A method as claimed in any one of claims 1 to 13, specifically designed to withstand movement of adjacent control rods. 15 A nuclear reactor core having a plurality of individually replaceable fuel assemblies surrounding selectively insertable control rods, the reactor core having a plurality of individually replaceable fuel assemblies, the reactor being shut down after each successive periodic operation cycle, and refueling the reactor core. When loading fuel and operating a nuclear reactor core in which a part of the assembly is replaced, (1) selecting a cell pattern including a first control cell set, a second control cell set, and a non-control cell set for the reactor core; The first set of control cells has a sufficient number to enable the control rods to control the reactor core at power output, and the cells of the first set are separated from each other by at least one cell of another cell set, and the second set of control cells have a sufficient number of control rods to control the core at power, and the cells of the second set are separated from each other by at least one cell of the other cell set;
(2) arranging the cells of the set at cell positions in the core different from the cells of the first control cell set, and arranging the uncontrolled cells of the uncontrolled cell set between the cells of the first and second controlled cell sets; arranging fuel assemblies of fuel with relatively low reactivity in the first set of control cells; (3) reducing the number of fuel assemblies of unirradiated fuel with sufficient reactivity for the stay time in the core for n operation cycles; (4) an average intermediate between the average cell reactivity of the cells of the first controlled cell set and that of the non-controlled cells; disposing a fuel assembly exhibiting cell reactivity in the second set of control cells;
(5) irradiating at least some of the fuel assemblies disposed in the second control cell set for (n-2) operating cycles; and (5) controlling the cells of the second control cell set and the control rods of the non-control cells. (6) operating the reactor core through one operating cycle while controlling the reactor core by substantially withdrawing it at power out and selectively inserting the control rods of at least some cells of said first control cell set; (7) removing at least some of the fuel assemblies of each cell of the first control cell set and placing them at a higher reactivity level; (8) removing at least some of the fuel assemblies of the non-controlled cells;
(9) replacing these with unirradiated fuel assemblies; 2 control cell sets, thereby minimizing movement of the fuel assembly during reloading,
Then (1) the cells of the first control cell set and the control rods of the non-control cells are substantially withdrawn at power out, and the control rods of at least some of the cells of the second control cell set are selectively inserted and the reactor is A method of fuel loading and operating a nuclear reactor core having the above steps, in which the reactor core is operated throughout the next operating cycle while the reactor core is controlled.In step 16 (7), replacing the cells of the first control cell set. the fuel assemblies include at least some fuel assemblies that have been irradiated for (n-2) operating cycles, thereby placing low reactivity fuel in the cells of the first control cell set during the next subsequent operating cycle; and controlling the reactor core by selectively inserting the control rods of the cells of the first control cell set while the control rods of the cells of the second control cell set and the control rods of the non-control cells are substantially pulled out from the core at the time of power output. 16. The method according to claim 15, wherein in step (8), the fuel assemblies placed in the non-controlled cells are irradiated and unirradiated for (n-3) cycles. A patent that further includes a step of arranging a fuel assembly of relatively low reactivity fuel at the outer peripheral fuel assembly position of the core. 18. The method according to any one of claims 15 to 17. 19. Further, a fuel assembly of a relatively highly reactive fuel is placed as an intermediate fuel in the core between the outer peripheral fuel assembly position and the cell set. 19. The method of claim 18, further comprising the step of placing at least some of the fuel assemblies at the intermediate fuel assembly location into a non-controlled cell location during reloading. 21. The method of claim 19, wherein at least some of the fuel assemblies located at the outer fuel assembly location are irradiated and remain at the outer location during a final operating cycle in the core. 21. A method according to any one of claims 18 to 20, further comprising the step of placing control rods having gray tips in cells of the first and second control cell sets.
Claims 15 to 21, wherein the gray chip gradually reduces the control strength along a part of the upper end of the control rod.
The method described in any one of paragraphs. Claim 15, wherein hafnium is disposed in the upper and side portions of the control rods of the cells of the first and second control cell sets, and the remainder of the neutron absorbing material in the control rods of the control cells. 23. The method according to any one of items 22 to 22. 24. The method according to any one of claims 15 to 23, comprising the step of arranging a control rod in the non-controlled cell, the upper control strength of which is stronger than the lower control strength. b. Any one of claims 15 to 24, including the step of filling boron carbide B-10 in the -H part of the control rod of the non-controlled cell and filling natural B4C in the lower part. The method described in.
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